具不同形狀燃燒室二行程引擎流場計算

Abstract

本份論文是關於二行程引擎內部流場的數值研究。重點集中在探討驅氣及 壓縮過程中的氣體流動。使用兩種雙方程式渦流黏性模式來模擬紊流特性 ：一種是由Launder及Spalding(1972)所發展出來的線性k-ε模式，一種 是由Speziale(1987)所發展出來的非線性k-ε模式。將統禦方程式轉換成 曲線正交座標系統以符合不規則的引擎幾何外形，在計算中將汽缸分成膨 脹/壓縮區域(E/C)及缸頂/碗狀(H/B)區域，在膨脹/壓縮區域中格點可隨 活塞的移動而改變位置。微分方程式利用有限體積法來做離散化，並利用 混合中央/上風差分法和線性上風差分法來預估對流項。使用一橢圓偏微 分方程式產生曲線正交格點來吻合不規則的汽缸頭形狀，並利用不需要經 過反覆疊代、先預測後修正的EPISO法來解離散後的方程組。線性方程組 用兩種反覆疊代的方法來解，一種是Stone's Strongly Implicit Procedure (SSIP)，一種是 Incomplete Cholesky Conjugate Gradient (ICCG)。使用混合中央/上風差分法及線性k-ε模式對具不同形狀燃燒室 之迴環驅氣式二行程引擎進行缸內流場計算，其驅氣效率(scavenging efficiency)和捕捉效率(trapping efficiency)和實驗結果比較起來相當 吻合。驅氣迴環在驅氣過程中形成，在驅排氣口都關閉後形成滾動渦流， 因滾動渦流的被壓縮，使得在曲柄角度310°∼ 340°之間有紊流增強的 現象產生。針對不同彎曲度的汽缸頭進行詳細的研究發現，在壓縮衝程中 增加汽缸頭的彎曲度可使滾動渦流的結構較完整，且流體動能自均流轉化 成紊流的效應也較明顯。此滾動渦流的強度特徵可以從流出對稱面上的渦 旋量表示。將碗狀燃燒室置於汽缸頭的中央或偏心的位置，探討在壓縮衝 程及膨脹衝程初期滾動渦流與擠壓流相互的作用，結果發現擠壓流和回復 擠壓流的出現可以減緩在壓縮衝程末期及膨脹衝程初期的紊流衰減現象， 使得具有碗狀燃燒室的引擎在上死點及稍後的膨脹衝程中具有較強的均流 及紊流強度，而且碗狀燃燒室的偏心方向對均流及紊流特性都有明顯的影 響。此外本研究還探討一非線性k-ε模式，這個模式是把Speziale(1987) 原先所提出的非線性k-ε模式中的Oldroyd微分項拋棄之後的簡化模式， 經簡化後的模式並不需要濾波程序來使解答平穩。對此模式的測試係在不 可壓縮的模型引擎上進行，和傳統的線性k-ε模式的結果比較發現，雖然 非線性模式改善的效果不是那麼明顯，但是此模式可預測到較強的噴流及 迴流，此點與實驗結果較接近。