一种主动预燃室发动机的燃烧仿真优化方法及系统与流程

本发明涉及发动机的，特别涉及一种主动预燃室发动机的燃烧仿真优化方法及系统。

背景技术：

1、主动预燃室（active pre-chamber，apc）技术是一种利用湍流喷射点火（turbulent jet ignition，tji）的新兴技术，在火花塞点火发动机中实现超稀薄燃烧，点火可靠性高和火焰传播速度快，有效地提高发动机燃烧稳定性和拓宽稀燃极限，实际上发动机燃烧室内通常发生着复杂的湍流燃烧，而火焰传播则是缸内燃烧过程中的火焰发展的重要特征，这一特征通常由化学反应动力学机理直接计算或者速度经验模型计算。

2、目前已有许多针对主动预燃室的研究技术，如现有技术公开了一种预燃室燃烧系统，该系统利用预燃室形成的射流来辅助主燃室进行稀薄燃烧，但该系统并未考虑预燃室喷嘴的数量以及角度对主燃室的缸内湍度以及燃烧速率的影响的具体情况；现有技术还公开了一种活化辅助射流点火发动机，通过使用射流点火和火花塞两套点火源来避免低温下的主燃室失火的可能性，但是该系统工作的设计缩短了稀燃极限，热效率变低；还有研究表明，预燃室喷流孔的直径和数量对缸内火焰的形成以及发展具有重要影响。实际上主动预燃室的性能会受到多因素的耦合作用，但现有主动预燃室研究工作主要基于某个因素对主动预燃室结构进行改进和优化，并未考虑主动预燃室发动机的开发手段、周期长短以及单一因素的改变是否对主动预燃室发动机总体性能有所影响等情况，为解决上述问题，传统方法是需要针对主动预燃室燃烧性能做大量的实验和试验，但这不仅浪费时间和资源，影响发动机开发效率和质量，而且还存在安全隐患。

3、因此，如何提升发动机性能的开发效率和质量，降低研发成本和研发周期，是极其重要的待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术存在发动机性能的开发效率和质量低，研发成本高，研发周期长的问题，本发明旨在提出一种主动预燃室发动机的燃烧仿真优化方法及系统，能够有效提升了发动机性能的开发效率和质量，降低了研发成本和研发周期。

2、为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

3、构建用于描述主动预燃室发动机的控制方程组；

4、基于所述控制方程组，分别构建燃烧模型和喷雾模型；

5、基于预设的主动预燃室多设计参数矩阵，构建主动预燃室发动机数模矩阵；

6、基于所述主动预燃室发动机数模矩阵，构建所述主动预燃室发动机数模矩阵的计算域；

7、基于所述燃烧模型、所述喷雾模型和所述计算域，构建主动预燃室发动机燃烧仿真模型矩阵，对所述主动预燃室发动机燃烧仿真模型矩阵进行仿真计算，得到燃烧仿真结果。

8、进一步，所述构建用于描述主动预燃室发动机的控制方程组，包括：利用有限体积法对主动预燃室发动机进行数学描述，构建所述控制方程组，所述控制方程组包括质量连续方程、动量连续方程、状态方程、能量连续方程和物种连续方程。

9、进一步，利用所述控制方程组描述主动预燃室发动机内发生燃烧行为的物理和化学反应过程，得到所述燃烧模型；

10、利用所述控制方程组描述主动预燃室发动机内发生喷雾行为的物理和化学反应过程，得到所述喷雾模型。

11、进一步，所述燃烧模型包括用于描述主动预燃室内燃烧的宏观过程的第一描述模型和用于描述主动预燃室内燃烧的化学反应过程的第二描述模型；所述第一描述模型利用所述描述物质在燃烧过程中质量守恒的质量连续方程、所述描述物质在燃烧过程中动量的变化的动量连续方程和所述描述物质在燃烧过程中能量守恒的能量连续方程，描述主动预燃室内燃烧的宏观过程；

12、所述第二描述模型利用所述描述物质在燃烧过程中质量守恒的质量连续方程、所述描述物质在燃烧过程中动量的变化的动量连续方程、所述描述流体在燃烧过程中压力与密度和温度之间的关系的状态方程、所述描述物质在燃烧过程中能量守恒的能量连续方程和用于描述物质在燃烧过程中的消耗和生成的物种连续方程，描述主动预燃室内燃烧的化学反应过程；

13、所述喷雾模型包括用于描述燃烧室内燃油喷雾破碎过程的第三描述模型，所述第三描述模型利用所述描述物质在喷雾流中质量守恒的质量连续方程、所述描述物质在喷雾流中动量的变化的动量连续方程、所述描述流体在喷雾流中压力与密度和温度之间的关系的状态方程、所述描述物质在喷雾流中能量守恒的能量连续方程和所述描述物质在喷雾流中的消耗和生成的物种连续方程，对喷雾一次破碎和二次破碎的过程进行表征。

14、进一步，采用实验设计法对主动预燃室发动机的多设计参数进行量化分析，构建所述主动预燃室多设计参数矩阵，包括：

15、确定影响主动预燃室发动机的性能的多设计参数；

16、根据所述多设计参数，采用预设软件仿真的方式在所述多设计参数中寻找最佳的参数组合；

17、构建主动预燃室发动机初始模型，通过每次调整仿真所述多设计参数中的特定参数，对所述主动预燃室发动机初始模型进行修正，得到修正后的主动预燃室发动机仿真模型，利用预设软件对所述主动预燃室发动机仿真模型进行仿真，得到仿真结果；

18、对所述仿真结果进行统计分析，得到统计分析结果；

19、基于所述统计分析结果，筛选出主要显著因子，对所述主要显著因子进行迭代优化，输出最佳的参数组合；

20、将所述最佳的参数组合存储于矩阵中，得到所述主动预燃室多设计参数矩阵。

21、进一步，所述基于所述主动预燃室多设计参数矩阵，构建主动预燃室发动机数模矩阵，包括：

22、利用所述主动预燃室多设计参数矩阵中的不同参数组合中的参数，修改预设的主动预燃室发动机初始模型中的特定参数，得到主动预燃室发动机模型，将所述主动预燃室发动机模型存储于矩阵中，得到所述主动预燃室发动机数模矩阵。

23、进一步，所述构建所述主动预燃室发动机数模矩阵的计算域时，采用局部自适应加密优化网格，对计算域的范围进行加密。

24、进一步，所述构建主动预燃室发动机燃烧仿真模型矩阵，包括：将燃烧模型、喷雾模型和计算域中以矩阵形式存储，得到所述主动预燃室发动机燃烧仿真模型矩阵的计算表达式如下：

25、

26、其中，m1表示燃烧模型的参数和方程，m2表示喷雾模型的参数和方程，m3表示计算域的参数和方程。

27、进一步，还包括以下步骤：根据所述仿真结果，输出主动预燃室发动机的性能的最优设计结果。

28、本发明还提出了一种主动预燃室发动机的燃烧仿真优化系统，包括：

29、方程构建模块，用于构建用于描述主动预燃室发动机的控制方程组；

30、模型构建模块，用于根据所述控制方程组，分别构建燃烧模型和喷雾模型；

31、矩阵获取模块，用于根据预设的主动预燃室多设计参数矩阵，构建主动预燃室发动机数模矩阵；

32、计算域构建模块，用于根据所述主动预燃室发动机数模矩阵，构建所述主动预燃室发动机数模矩阵的计算域；

33、仿真计算模块，用于根据所述燃烧模型、所述喷雾模型和所述计算域，构建主动预燃室发动机燃烧仿真模型矩阵，对所述主动预燃室发动机燃烧仿真模型矩阵进行仿真计算，得到燃烧仿真结果。

34、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

35、本发明提出了一种主动预燃室发动机的燃烧仿真优化方法及系统，首先通过控制方程组构建燃烧模型和喷雾模型，然后通过主动预燃室多设计参数矩阵构建主动预燃室发动机数模矩阵，主动预燃室多设计参数矩阵综合考虑多参数影响因素，避免主动预燃室发动机受限单一因素优化的弊端，再根据主动预燃室发动机数模矩阵构建计算域，计算域的构建提升了数值模拟计算精度，减少了计算周期；接着在主动预燃室发动机燃烧仿真过程中利用燃烧模型、喷雾模型和计算域，进一步构建主动预燃室发动机燃烧仿真模型矩阵并进行仿真计算，实现了计算机仿真模拟替代部分发动机试验，能够有效提升了发动机性能的开发效率和质量，降低了研发成本和研发周期。