柴油机中的燃烧过程是典型的湍流扩散燃烧,湍流扩散燃烧是一种极其复杂的带有化学反应的流动现象。要对其工作过程进行模拟,目前使用最多的办法就是将湍流与化学反应解耦,分别进行求解,然后再将两部分结果耦合到一起。由于柴油机中在高雷诺数和高Damkoeler数的情况下,燃烧反应区厚度小于湍流耗散尺度,火焰极薄,其微元保持层流结构,因此,湍流火焰可视为嵌入湍流流场内局部具有一维结构的薄的层流小火焰的系综,这便构成了层流小火焰模型主导思想,同时也使层流小火焰模型模拟柴油机湍流燃烧过程成为可能。 层流小火焰模型在近年来得到了广泛的应用,但是,在内燃机上的应用却不多,国内关于此方面的研究基本上仍是空白。本文作为初步尝试,将层流小火焰模型应用于典型的柴油机扩散燃烧过程,以一台直喷式柴油机为对象,分别以碳十二烷与空气的单步反应和正庚烷与空气的多步反应为机理,以混和分数为自变量,以标量耗散率为参数,建立相空间中组分质量分数瞬时值及温度瞬时值的二维层流小火焰数据库。以KIVA-3程序为基础,摒弃其原有的化学反应模型,模拟内燃机缸内多维湍流流场,并补充求解混合分数的时均值及其脉动均方值的湍流输运方程,得出各曲轴转角下混合分数的时均值及其脉动均方值的缸内空间分布。将两部分结果通过Beta概率密度函数进行耦合积分,得到组分质量分数和温度等参数时均值在柴油机工作过程中的时间、空间分布。 将对这台直喷式柴油机所得到的计算结果与文献中相同类型发动机的实验及计算结果进行比较,其缸内平均温度曲线和放热率曲线在总体趋势上比较一致,表明小火焰模型应用于柴油机湍流燃烧模拟的可行性及其在预测燃烧过程细节方面所具优势。但对瞬态过程而言,为达到满意的预测精度,小火焰模型还有改进的必要和潜力。