Quá trình cháy trong động cơ là một quá trình diễn biến theo thời gian, trong mô hình mô phỏng hiện tại sử dụng thuật toán PISO (Pressure-Implicit with Splitting of Operators) để giải tuần tự các phương trình chủ đạo. Theo đó phương trình các thành phần vận tốc được giải lần lượt, trước khi giải phương trình liên tục, phương trình năng
88
lượng, các phương trình phản ứng cháy. Quá trình cháy của nhiên liệu được mô phỏng sử dụng mô hình ECFM-3Z, mô hình cháy này cho phép mô phỏng hỗn hợp hỗn loạn phức tạp, lan truyền ngọn lửa, đốt cháy khuếch tán và phát thải chất ô nhiễm đặc trưng cho các cơ chế hiện đại của động cơ đốt trong.
Mô phỏng ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình hình thành hỗn hợp và cháy của nhiên liệu bao gồm: thời điểm phun nhiên liệu, thời điểm kết thúc phun và thời điểm bay hơi hoàn toàn nhiên liệu. Nhiệt độ thay đổi từ 300K đến 1200K với khoảng chia: 300K, 450K, 600K, 900K và 1200K. Lượng nhiên liệu phun vào buồng cháy: 0,039 (gam).
Mô phỏng ảnh hưởng của nồng độ ôxy đến quá trình cháy của nhiên liệu trong hai trường hợp: 10% ôxy và 20% ôxy trước và sau khi CNLM.
Điều kiện biên
Điệu kiện biên tại vỏ cylinder, van nạp, van xả, kim phun ứng với các biến vật lý khác nhau được cho trong Bảng 4. 2.
Bảng 4. 2. Điều kiện biên xác định cho mô hình mô phỏng
Điều kiện biên Biến vật lý Loại điều kiện biên được áp dụng
Biên cylinder Khí Tường
Kim phun Khí Đầu ra
Biên khí vào Khí Đầu ra
Biên khí thải Khí Đầu ra
Điều kiện ban đầu cho quá trình mô phỏng được đặt tương ứng với thực nghiệm: áp suất và nhiệt độ trong không gian buồng cháy được đặt ở giá trị 18 bar và nhiệt độ 300K. Vận tốc dòng trong buồng cháy coi như đủ nhỏ để coi là tĩnh. Các van nạp và van xả đóng.
Do quá trình cháy xảy ra rất nhanh với sự diễn biến cùng lúc của nhiều hiện tượng vật lý, việc lựa chọn bước thời gian mô phỏng sao cho đảm bảo độ chính xác mô phỏng và tính hợp lý về thời gian chạy mô phỏng có vai trò quan trọng. Trong mô hình mô phỏng này, các cài đặt về thời gian được đặt như trong Bảng 4. 3; Bảng 4. 4
- Bước thời gian nhỏ nhất: 1.0 E -7 s;
- Bước thời gian liên quan đến chuyển động của xu páp. - Bước thời gian liên quan đến vòi phun nhiên liệu
Bảng 4. 3. Bước thời gian liên quan đến vòi phun nhiên liệu
Thời điểm Góc (deg) Time step (s)
Trước khi phun 1 1.0E-6
Quá trình phun 1.0E-6
Sau khi phun 20 5.0E-6
89
Không gian mô phỏng được chia lưới với bộ chia lưới Trimmed Mesher, bộ chia lưới này tối đa hóa số lượng các phần tử lưới hình hộp chữ nhật, giúp tối ưu hóa quá trình giải hệ phương trình rời rạc. Để cải thiện độ chính xác của dung dịch dòng chảy gần các biên tường, lưới lăng trụ trực giao được tạo sát các biên này. Đối với các vị trí có thể xảy ra các hiện tượng vật lý phức tạp (như nhiên liệu được phun vào, vùng cháy nhiệt độ cao, ...) hoặc các góc có hình dạng phức tạp, lưới tính toán tại vùng này sẽ được làm mịn để tăng độ chính xác. Chia lưới mịn cũng được áp dụng để tăng chất lượng lưới tại vùng thể tích xung quanh van nạp/xả, lưới kích thước nhỏ được sử dụng nhằm tăng độ mịn cho lưới tại vùng này, đem lại kết quả chính xác hơn, đặc biệt tại các thời điểm đóng và mở van. Cài đặt lưới được điều chỉnh để đảm bảo độ chính xác lưới cao với số lượng ô lưới ít nhất. Các cài đặt lưới sử dụng trong mô hình mô phỏng CVCC được mô tả trong Bảng 4. 4.
Bảng 4. 4. Các cài đặt lưới sử dụng cho mô hình mô phỏng CVCC
Tham số Giá trị Lưới cơ sở 1mm Lưới tiếp giáp biên Độ dày lưới 0.25mm Số lớp 2
Tỉ lệ kéo dài của lớp 1
Để đáp ứng quá trình thay đổi lưới tại các thời điểm đóng/mở các van nạp/xả. Bộ biến dạng lưới Morpher được sử dụng, bộ thay đổi lưới này giúp phân phối lại các đỉnh lưới theo chuyển động của van. Quá trình biến dạng, nếu kích thước ô lưới bị thay đổi quá nhiều, bộ chia lưới sẽ tự điều chỉnh số lượng ô lưới để đảm bảo chất lượng lưới theo cài đặt chung. Khi biến dạng của lưới làm giảm chất lượng kết quả, vùng lưới sẽ được chia lại lưới để đảm bảo chất lượng lưới tốt xung quanh xu páp.
Đối với các biên tại đầu vào và đầu ra, lớp lưới trực giao được xây dựng sát các biên này để tăng độ chính xác khi áp dụng điều kiện biên tại các mặt này. Bảng 4. 5 Bảng 4. 6, thể hiện thông số lưới mô phỏng và chất lượng lưới.
Bảng 4. 5. Thông số và chất lượng lưới mô phỏng
Thông số Gía trị Số lượng nút lưới 4,859,160 Kích thước phần tử lưới nhỏ nhất 0.25mm Kích thước phần tử lưới lớn nhất 1mm Phần tử tứ diện 1,199 Phần tử hộp 6 mặt 4,626,685
90
Phần tử lăng trụ tam giác 56,543
Phần tử hình chóp 75 Phần tử đa diện 56,220 4,740,722 Số lượng mặt trong vùng thể tích tính toán 14,157,523 (64,045 tam giác, 14,019,369 tứ giác, 74,109 đa giác)
Số lượng mặt có chất lượng tốt 4,740,722 Số lượng ô lưới có độ tăng về
thể tích với ô lưới liền kề nằm trong khoảng [0.01-0.1]
15,932 Số lượng ô lưới có độ tăng về
thể tích với ô lưới liền kề nằm trong khoảng [0.1-1.0]
4,724,790
Bảng 4. 6. Thông số lưới và chất lượng lưới các mặt biên
Lưới được chia phù hợp để quá trình mô phỏng có thể diễn ra và đảm bảo độ chính xác. Miền mô phỏng được chia thành 821,475 ô lưới, 2,454,260 mặt, 860,612 điểm nút. Số lượng ô lưới, mặt, điểm nút khá nhiều nhằm đáp ứng sự biến thiên liên tục trong kết quả mô phỏng. Sử dụng bộ chia lưới Trimmed Mesher, lưới tính toán được sinh ra dựa trên thuật toán chia cắt lưới xuất phát từ lưới vuông ban đầu, nhờ vậy chất lượng lưới đạt mức cao trên gần như toàn bộ miền mô phỏng. Độ vặn hình học ô lưới lớn nhất là 47.83 độ, ở mức độ phù hợp (<90 degree) đáp ứng được điều kiện lưới tốt. Nhờ vậy giảm được sai số do độ không vuông góc giữa đường nối tâm hai phần tử lưới
Mặt biên Số cell lưới trên biên Góc nghiêng lưới lớn nhất(độ)
Bề mặt lưới mặc định
97,313 mặt (3,219 tam giác,
92,161 tứ giác, 1,933 đa giác) 64.3 Xupáp nạp 4325 mặt (1054 tam giác, 2893
tứ giác, 378 đa giác) 53.7
Xupáp thải 4313 mặt (1053 tam giác, 2882
tứ giác, 378 đa giác) 55.1
Đầu vào 464 mặt (28 tam giác, 424 tứ
giác, 12 đa giác) 0.7
Đầu ra 464 mặt (28 tam giác, 424 tư
91
liền kề và mặt tiếp xúc. Tại các vùng xuất hiện nhiều hiện tượng vật lý như vùng xung quanh xupáp, đầu vòi phun nhiên liệu, lưới chia lưới mịn hơn nhằm nắm bắt được đầy đủ hiện tượng và đảm bảo quá trình tính toán hội tụ (Hình 4. 3; Hình 4. 4; Hình 4. 5; Hình 4. 6).
Hình 4. 3. Lưới tính toán sử dụng cho mô hình mô phỏng: 4,740,722 ô lưới; 14,157,523 mặt; 4,859,160 điểm nút
Hình 4. 4. Lưới tính toán được làm mịn trong vùng không gian xảy ra hiện tượng vật lý phức tạp.
92
Hình 4. 6. Các ô lưới có độ nghiêng lớn xảy ra tại khe hẹp tiếp xúc giữa xupáp và xylanh