發(fā)動機進(jìn)氣道的優(yōu)化仿真

德州學(xué)院汽車工程學(xué)院 王志雄

1.引言

進(jìn)氣道氣流流動狀態(tài)最終直接影響發(fā)動機經(jīng)濟性、排放性以及動力性。因此，發(fā)動機進(jìn)氣道的理論研究和實際工程的設(shè)計成為發(fā)動機研究者的重要課題之一。傳統(tǒng)的進(jìn)氣道設(shè)計流程是經(jīng)驗設(shè)計加穩(wěn)流試驗臺上的反復(fù)試驗。在設(shè)計開發(fā)中存在著較大的盲目性與局限性，不僅設(shè)計開發(fā)期長，耗費大，而且較難得到理想的方案。通過對進(jìn)氣道內(nèi)氣體流動的三維數(shù)值模擬計算，可獲得流量系數(shù)，氣道內(nèi)壓力、流速等參數(shù)的空間分布，并建立氣道形狀、安裝位置與氣體流動特性(包括流量數(shù)等)的關(guān)系，為汽車發(fā)動機進(jìn)、排氣道的設(shè)計與改進(jìn)提供依據(jù)。

2.工作流程

工作流程如圖1所示。基本控制方程通常包括質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程，以及這些方程相應(yīng)的定解條件。確定離散化方法。即確定高精度、高效率的離散化方法，具體的說就是確定針對控制方程的離散化法，如有限差分法、有限元法、有限體積法等。這里的離散方法不僅包括微分方程的離散方法及求解方法，還包括貼體坐標(biāo)的建立、邊界條件的處理等。

圖1 工作流程圖

3.模型的建立

氣缸直徑取68mm，氣缸的長度為170mm。在進(jìn)氣道進(jìn)口處增加一個穩(wěn)壓箱，作用時使進(jìn)氣道入口處的氣流流動狀態(tài)穩(wěn)定，這樣便在計算入口邊界條件中施加了一個穩(wěn)定的壓力條件。發(fā)動機進(jìn)氣道如圖2所示，氣缸簡化為圓柱體，氣缸蓋如圖3所示，進(jìn)氣道-氣門-氣缸如圖4所示，最終計算用模型如圖5所示。

本文采用六面體和四面體的混合網(wǎng)格，在穩(wěn)壓箱及氣缸內(nèi)采用六面體網(wǎng)格，在進(jìn)氣道、氣門、氣缸蓋處采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。這樣既節(jié)省了運算時間，又解決了進(jìn)氣道處外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)的網(wǎng)格劃分。將入口、出口、氣缸壁面等分別創(chuàng)建PART，以增加邊界條件；將進(jìn)氣道-氣門-氣缸蓋所在空間創(chuàng)建BODY命名為LIVE1并保證該點在各個棉所圍成的空間內(nèi)，如圖6所示。由于四面體網(wǎng)格生成是以BODY為單位進(jìn)行的，將穩(wěn)壓箱、氣缸部分創(chuàng)建塊，利用約束、拉伸塊等工具創(chuàng)建、分割塊，以適應(yīng)本部分體積結(jié)構(gòu)。并在此部分生成六面體網(wǎng)格，對局部網(wǎng)格進(jìn)行加密，并檢查網(wǎng)格質(zhì)量。生成四面體網(wǎng)格。生成四面體網(wǎng)格時需要對邊界處進(jìn)行加密，以便觀察近壁面處，且確保壁面函數(shù)法有效，如圖7所示。

網(wǎng)格數(shù)目、類型及體積如表1所示。

表1 網(wǎng)格數(shù)目、類型及體積

4.氣道模擬仿真結(jié)果與分析

圖8是當(dāng)氣門升程為8mm時，截面a上的速度分布圖，由圖可知排氣門處(即圖中1)、喉口位置(即圖中2和3處)及氣門下方可以很明顯的看見此氣道存在明顯的滯止回流區(qū)，以上地方會造成缸內(nèi)混合不均勻，極大的影響發(fā)動機的排放性能機動力性能，設(shè)計時需要對以上地方進(jìn)行修改。圖中4處氣流與氣門頭部發(fā)生碰撞，氣流流動方向發(fā)生改變，并消耗了氣流流動動能。其流動能的減小與流動方向的變化導(dǎo)致4處氣流速度減小。在三維建模時盡量增大4處的圓角，這樣就能減小交接處的碰撞。

圖9為當(dāng)氣門升程為8mm時，截面a的速度等值線云圖。由圖可知在氣門喉口位置的速度等值線分布很不均勻。其中速度等值線在喉口位置相對進(jìn)氣道等其他地方要密，表明喉口位置速度比進(jìn)氣道其他位置速度要大。氣門下方有兩個地方速度比氣道其他地方速度等值線要密(圖中1和2處)，其分布是以這兩處為中心成漩渦狀。這也可以說明上述位置會產(chǎn)生很強的滾流。

5.結(jié)論

運用三維造型軟件Auto CAD，建立氣道-氣門-氣缸實體模型，利用Ansys，建立包括氣道一氣門一氣缸在內(nèi)的計算域網(wǎng)格，利用Ansys對Auto CAD建立好的計算模型劃分網(wǎng)格，進(jìn)行三維模擬計算。通過三維數(shù)值模擬找出了氣道幾何不合理的部分，采用CAD/CFD進(jìn)行優(yōu)化，為汽車發(fā)動機進(jìn)、排氣道的設(shè)計與改進(jìn)提供依據(jù)。

[1]周光桐.流體力學(xué)[M].北京:高等教育出版社(2版),2000.

[2]石皓天.GDI發(fā)動機進(jìn)氣系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究[D].天津:天津大學(xué),2008.

[3]王福軍.計算流體動力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[4]張師帥.計算流體動力學(xué)及其應(yīng)用—CFD軟件的原理與應(yīng)用[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2011,1.