氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)特性研究

李玉龍, 宋　宇, 朱德泉, 蔣　峰, 朱　燁, 焦　俊

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院, 安徽 合肥 230036; 2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院, 安徽 合肥 230036)

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氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)特性研究

李玉龍1, 宋宇1, 朱德泉1, 蔣峰1, 朱燁1, 焦俊2

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院, 安徽 合肥 230036; 2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院, 安徽 合肥 230036)

以全新研制的電控氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸流場(chǎng)域?yàn)檠芯繉?duì)象,建立其幾何模型,運(yùn)用CFD前處理軟件ICEM對(duì)流場(chǎng)域幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,再運(yùn)用Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算,分析其氣缸內(nèi)部流場(chǎng)特性,進(jìn)而得出氣體在工作過程中各個(gè)階段的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分布.同時(shí),將模擬計(jì)算數(shù)值與氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)所得值進(jìn)行比較.結(jié)果表明:動(dòng)網(wǎng)格數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近,氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)流場(chǎng)動(dòng)態(tài)仿真過程準(zhǔn)確可靠,仿真結(jié)果可為氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供參考.當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定于450 r/min時(shí),由仿真模擬所得數(shù)據(jù)計(jì)算得此氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)指示功率為0.62 kW，實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)算得同條件下實(shí)驗(yàn)指示功率為0.55 kW,求得仿真和實(shí)驗(yàn)指示功率的最大誤差為11.2%.利用自制的測(cè)功裝置測(cè)得實(shí)驗(yàn)時(shí)有效功率為0.45 kW,進(jìn)而求得機(jī)械效率為81.8%.研究結(jié)果為下一步改善氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)性能提供了依據(jù).

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī); 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù); 缸內(nèi)流場(chǎng); 特性研究

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是一種新型環(huán)保動(dòng)力機(jī)械[1-2],以壓縮空氣為做功介質(zhì),不再使用汽柴油等礦物燃料,其工作循環(huán)是純物理過程,即:不會(huì)生成常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作所產(chǎn)生的有害排放物質(zhì),起到環(huán)保作用.主要工作過程是：將預(yù)先儲(chǔ)藏在高壓儲(chǔ)氣罐中的高壓氣體(或者是液態(tài)氮等)經(jīng)過一系列膨脹減壓控制后,進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中,推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)對(duì)外輸出機(jī)械能[3-5].此外,壓縮空氣易于獲取,空氣介質(zhì)更是取之不盡,將壓縮空氣作為動(dòng)力源,能夠很好地解決當(dāng)前石油等能源短缺問題.

文章采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)[6-7],對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高壓流場(chǎng)的整個(gè)工作過程進(jìn)行連續(xù)的動(dòng)態(tài)仿真,再現(xiàn)了缸內(nèi)流場(chǎng)的具體演變過程,研究了不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的缸內(nèi)高壓氣體對(duì)活塞的作用力以及缸內(nèi)流場(chǎng)域中不同部分的氣體流速的動(dòng)態(tài)變化[8],并將動(dòng)網(wǎng)格模擬所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析[9-11],為氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和性能分析提供參考.目前,動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)已經(jīng)在航空、機(jī)械和汽車等行業(yè)得到較為廣泛的應(yīng)用[12-13],運(yùn)用在氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)上也具有一定的研究意義.

1　氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

本文所述氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)是全新研制的電控兩級(jí)式氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)(如圖1所示),其特點(diǎn)是增加一個(gè)二級(jí)氣缸,高壓氣體在一級(jí)氣缸做功后,部分殘余氣體仍然具有較高壓力,通過兩氣缸之間的連接管道進(jìn)入二級(jí)氣缸,可實(shí)現(xiàn)能源的充分利用[14].實(shí)驗(yàn)中,用于配氣的一級(jí)和二級(jí)電磁閥分別安裝在一級(jí)氣缸的進(jìn)氣和排氣管口處,三級(jí)電磁閥裝在二級(jí)氣缸排氣管口處.兩級(jí)氣缸(一大一小)是氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的核心部件,其主要功用是使來自氣源的高壓氣體推動(dòng)活塞循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)曲軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),并通過飛輪運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)外做功.

1—實(shí)驗(yàn)臺(tái);2—電控系統(tǒng)(ECU);3—加速踏板;4—三級(jí)排氣閥;5—二級(jí)氣缸;6，9—溫度和壓力傳感器;7—?dú)飧字g連接管道;8—二級(jí)進(jìn)氣閥(一級(jí)排氣閥);10—一級(jí)氣缸;11—一級(jí)進(jìn)氣閥;12—皮帶輪;13—高壓氣罐;14—發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體;15—安裝座;16—靶盤;17—曲軸位置/轉(zhuǎn)速傳感器;18—恒壓直流蓄電池.圖1　氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1　The structure of air powered engine

2　氣缸流場(chǎng)域建模和控制方程

2.1流場(chǎng)域的幾何建模

用建模軟件CATIA和CFD前處理軟件Gambit對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的一級(jí)氣缸內(nèi)流場(chǎng)域進(jìn)行幾何建模.氣缸內(nèi)流場(chǎng)域的主體部分(即由氣缸壁、缸蓋和活塞所圍成的部分)簡(jiǎn)化為圓柱體.缸內(nèi)流場(chǎng)域建模的主要參數(shù)如下:氣缸內(nèi)流場(chǎng)直徑為60 mm,活塞行程為55 mm,高壓氣體進(jìn)、排氣口管道直徑為18 mm.缸內(nèi)流場(chǎng)域幾何模型如圖2所示.由于氣缸內(nèi)流場(chǎng)部分的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性,在這里取三維動(dòng)網(wǎng)格仿真模擬所得結(jié)果加以直觀地研究.

圖2　氣缸內(nèi)流場(chǎng)幾何模型圖Fig.2　Geometry model of flow field in cylinder

2.2缸內(nèi)流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型及控制方程

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高壓氣體的流動(dòng)屬于復(fù)雜的可壓縮流體紊流運(yùn)動(dòng),根據(jù)實(shí)際工作時(shí)的流動(dòng)狀況,要滿足以下方程組[15]:

1)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)高壓氣體的質(zhì)量守恒定律(連續(xù)性方程):

(1)

式中:ρ為高壓氣體的密度；t為作用時(shí)間；u，v，w為高壓氣體3個(gè)流動(dòng)方向的速度；x，y，z為坐標(biāo)方向.

2)高壓氣體在氣缸內(nèi)流動(dòng)時(shí)應(yīng)遵循3個(gè)方向上的動(dòng)量守恒定律(即應(yīng)滿足運(yùn)動(dòng)方程、Navier-Stokes方程):

(2)

(3)

(4)

式(2)至式(4)中:μ為動(dòng)力黏度；Su，Sv，Sw為動(dòng)量守恒方程在3個(gè)方向上的廣義源項(xiàng).

3)高壓氣體在整個(gè)流動(dòng)過程中應(yīng)滿足能量守恒方程:

(5)

式(5)中:cp為高壓氣體比熱容；T為作用時(shí)的溫度；k為流體的傳熱系數(shù)；ST為流體內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的部分(或者叫做黏性耗散項(xiàng)).

4)氣體狀態(tài)方程.

上述式(1)至式(5)中,有u，v，w，p，T和ρ六個(gè)未知量,聯(lián)立上述方程組,并結(jié)合p和ρ的氣體狀態(tài)方程(6),可使方程組封閉.

p=p(ρ,T)，

(6)

狀態(tài)方程(6)對(duì)理想氣體有

P=ρRT，

(7)

式(7)中R為摩爾氣體常數(shù).

實(shí)際上,在Fluent里數(shù)值模擬的過程,也就是解上述方程組的過程[16-19].

2.3動(dòng)網(wǎng)格模型原理及方程

邊界移動(dòng)的任意小體積V上的一般標(biāo)量φ的守恒型方程可表示為

(8)

式中:ρ為流體密度；u為流速向量；ug為移動(dòng)網(wǎng)格的速度；Γ為散度系數(shù)；Sφ為φ的源項(xiàng)；dV為介質(zhì)V的運(yùn)動(dòng)邊界.

在方程里出現(xiàn)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)用第一時(shí)間格式向后差分表示為

(9)

式中n和n+1分別表示第n時(shí)刻和第n+1時(shí)刻.

第n+1步體積由下式迭代得出:

(10)

(11)

3　流場(chǎng)域網(wǎng)格劃分和邊界設(shè)定

3.1網(wǎng)格劃分

利用前處理軟件ICEM對(duì)氣缸內(nèi)流場(chǎng)域幾何模型劃分體網(wǎng)格.為了保證計(jì)算的精準(zhǔn)性,劃分體網(wǎng)格時(shí)采用高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算中幾乎不能進(jìn)行,確保了數(shù)值模擬過程中的有效性,可避免網(wǎng)格嚴(yán)重變形等質(zhì)量惡化現(xiàn)象.本次劃分后,網(wǎng)格數(shù)目是656 005個(gè),如圖3所示.

圖3　缸內(nèi)流場(chǎng)域體網(wǎng)格圖Fig.3　Grid of the flow field in cylinder

3.2邊界條件

在動(dòng)網(wǎng)格仿真時(shí),依據(jù)前期的試算與分析,確定流場(chǎng)域的具體動(dòng)態(tài)過程,并在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后,進(jìn)、排氣管道和缸內(nèi)流場(chǎng)均已較為穩(wěn)定,根據(jù)試算分析和已知數(shù)據(jù)設(shè)定具體的動(dòng)網(wǎng)格條件.具體如下:

1)壁面邊界條件:設(shè)置進(jìn)、排氣道和氣缸壁面為滑移的變形壁,即壁面的紊流參數(shù)和速度是非定常的.

2)入口邊界條件:采用壓力入口,入口氣壓為0.8MPa.

3)出口邊界條件:在一級(jí)氣缸的出口處,當(dāng)高壓氣體在一級(jí)氣缸做功完成之后,經(jīng)過排氣閥排出,此時(shí)氣體的壓力仍較高,且數(shù)值非恒定,能量并未完全釋放,可經(jīng)過一級(jí)排氣管道和二級(jí)進(jìn)氣管道輸送至二級(jí)氣缸繼續(xù)膨脹做功.在工作過程中,高壓氣體與氣缸壁溫差較小,且兩者相對(duì)瞬時(shí)作用時(shí)間短,則可認(rèn)為高壓氣體與缸壁間無熱量交換,從而采用絕熱邊界條件.

4)計(jì)算模型:基于前述動(dòng)網(wǎng)格原理,采用非定常流動(dòng)及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型.

4　流場(chǎng)域模擬結(jié)果分析

4.1迭代計(jì)算過程及結(jié)果

在完成上述建模、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件和進(jìn)出口狀態(tài)后,導(dǎo)入Fluent并選擇solver求解器、設(shè)置運(yùn)行環(huán)境、選擇能量方程以及設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型后使流場(chǎng)初始化,迭代開始并持續(xù)一段時(shí)間后可看到迭代計(jì)算的殘差圖.由殘差圖可見,氣缸內(nèi)流場(chǎng)質(zhì)量守恒的continuity曲線、x和y方向上的速度殘差曲線、湍流能方程的k和epsilon曲線都是隨著迭代次數(shù)增加漸漸趨向收斂的臨界值1e-03(0.001),最后趨于水平.由此可知迭代計(jì)算是收斂的,仿真模擬是有效的.

4.2結(jié)果分析

動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算得出了氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)兩行程中不同階段(即曲軸轉(zhuǎn)到不同角度時(shí))的氣缸內(nèi)流場(chǎng)中心剖面動(dòng)態(tài)速度圖、壓力圖,圖中各階段均取在一個(gè)周期(0～360°CA)內(nèi);同時(shí),在進(jìn)氣和排氣行程中,對(duì)周期內(nèi)的流線圖進(jìn)行具體觀察，對(duì)不同曲軸轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)流場(chǎng)域?qū)崟r(shí)變化進(jìn)行對(duì)比分析.

1)進(jìn)氣行程的情形如圖4所示,此時(shí)活塞下行.

(a)速度動(dòng)態(tài)過程圖

(b)壓力動(dòng)態(tài)過程圖圖4　氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過程Fig.4　Intake process of the air powered engine

2)排氣行程的情形如圖5所示,此時(shí)活塞上行.

(a)速度動(dòng)態(tài)過程圖

(b)壓力動(dòng)態(tài)過程圖圖5　氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過程Fig.5　Exhaust process of the air powered engine

3)進(jìn)氣和排氣行程中,模擬分析所得的流線圖如圖6所示.

從上述進(jìn)、排氣過程動(dòng)態(tài)系列模擬結(jié)果可以看出，進(jìn)氣行程:

1)壓力情況:氣缸和活塞圍成的流場(chǎng)域里,高壓氣體壓力分布均勻,在活塞上端面處的壓力明顯大于其他位置.進(jìn)氣時(shí),中間和兩端位置形成較大的壓力差,在這里因膨脹加速,從而會(huì)形成超音速流,快到達(dá)活塞表面時(shí),這種超音速流又會(huì)消失,這樣就在中間位置產(chǎn)生了系列漩渦,且湍流強(qiáng)度最大,同時(shí),瞬態(tài)過程中,氣流壓力因進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的阻礙及氣流流動(dòng)中的脈動(dòng)等因素,使得瞬時(shí)壓力相對(duì)初始?jí)毫υO(shè)定值0.8MPa有一定偏差,從而導(dǎo)致進(jìn)、排氣時(shí)缸內(nèi)壓力相對(duì)規(guī)定值會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)值,在達(dá)到活塞表面時(shí),漩渦的強(qiáng)度被耗散以致遞減,于是使作用在活塞上的壓力分布均勻.

2)速度情況:在此階段,整個(gè)流場(chǎng)域的速度分布較為均勻,氣流集中沖向活塞上表面,推動(dòng)活塞下行,且缸內(nèi)速度梯度變化較小,不會(huì)出現(xiàn)氣流分離,流動(dòng)狀態(tài)良好,氣體壓力能利用率較高.

排氣行程:

(a)進(jìn)氣過程流線圖

(b)排氣過程流線圖圖6　流線圖Fig.6　Streamline graph

1)壓力情況:流場(chǎng)內(nèi)的容積隨活塞上行而遞減,壓力變大并較為均勻,從初始?jí)嚎s到中期時(shí),排氣管道和缸壁接口處的壓力值增大明顯,且該處壓力最不穩(wěn)定,對(duì)氣缸壁沖擊較大.

2)速度情況:活塞上行過程中,氣缸中氣流速度分布均勻且穩(wěn)定,排氣口的氣流速度值始終很大,并且隨著壓縮的增強(qiáng)有進(jìn)一步增大的趨勢(shì).

同時(shí),從進(jìn)、排氣過程的三維流線圖中同樣可看出:進(jìn)氣過程中,缸內(nèi)流動(dòng)剛開始時(shí)因氣流不穩(wěn)定而較為紊亂,因進(jìn)氣速度較快進(jìn)而形成漩渦,在氣流穩(wěn)定后,內(nèi)部壓力整體上變得相對(duì)均勻;排氣過程中,內(nèi)部流動(dòng)良好且均勻,未出現(xiàn)流動(dòng)分離、漩渦等,進(jìn)一步體現(xiàn)了氣缸流場(chǎng)流動(dòng)的合理性.

4.3主要參數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況

由動(dòng)網(wǎng)格仿真分析所得數(shù)據(jù),可直觀地觀察缸內(nèi)氣流壓力和速度的變化情形,一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)變化情況如圖7、圖8所示.

1)缸內(nèi)壓力變化.

缸內(nèi)壓力是指發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后,由氣源進(jìn)入氣缸內(nèi)的穩(wěn)定高壓氣流在缸內(nèi)產(chǎn)生擠壓推動(dòng)作用時(shí)的氣壓.

由圖7可以看出:仿真計(jì)算得到的過程與預(yù)期理論推導(dǎo)的過程較為吻合.氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)壓力主要分為以下幾個(gè)階段:在進(jìn)氣初始階段,活塞在上止點(diǎn)時(shí),進(jìn)氣閥開啟,缸內(nèi)壓力逐漸上升,直到曲軸轉(zhuǎn)角為120°CA時(shí),達(dá)到最大壓力；隨著缸內(nèi)容積逐漸變大，氣壓變小，持續(xù)一定時(shí)間后進(jìn)入排氣過程；排氣閥打開,隨著活塞上行,壓力逐漸減小,缸內(nèi)壓力趨于一個(gè)穩(wěn)定的低壓狀態(tài),直到排氣階段結(jié)束.

圖7　缸內(nèi)壓力與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig.7　The relationship between the pressure in cylinder and the angle of crank

圖8　活塞速度與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig.8　The relationship between the piston velocity and the angle of cran

2)活塞速度變化.

從模擬過程所得到的速度隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系可以看到,一個(gè)工作循環(huán)的速度變化接近于氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣行程和排氣行程的理論工作規(guī)律.

4.4指示功率計(jì)算

在氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到穩(wěn)定狀況時(shí),取其轉(zhuǎn)速n=450r/min,已知?dú)飧字睆絛=60mm,行程L=65mm,由仿真分析可知,缸內(nèi)的壓力為0.42～0.62MPa,進(jìn)行以下計(jì)算:

在上述條件下高壓氣體對(duì)活塞的推力

(12)

式中S為活塞上端面面積.

將數(shù)據(jù)代入式(12)中,求得推力F=1 243.5N.

壓縮過程氣體對(duì)活塞所做的指示功為

W=FL，

(13)

代入數(shù)據(jù),求得指示功W=80.8J.

結(jié)合上述的計(jì)算,運(yùn)用指示功率計(jì)算公式[20]：

(14)

式中：i為缸數(shù),此時(shí)取i=1;n為轉(zhuǎn)速.代入數(shù)據(jù),求得P=0.62kW.

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與計(jì)算

此實(shí)驗(yàn)臺(tái)架由高壓氣源供給系統(tǒng)、氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)及電控系統(tǒng)、自制的測(cè)功裝置和相關(guān)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四大部分組成[21],如圖9所示.

圖9　氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架Fig.9　The experiment bench of air powered engine

為了保證在實(shí)驗(yàn)中能夠持續(xù)供給壓力穩(wěn)定的高壓氣體,在壓縮機(jī)氣罐連接第1級(jí)氣缸的管道上安裝空氣流量計(jì)和調(diào)壓裝置,使進(jìn)氣壓力恒為0.8MPa.實(shí)驗(yàn)所用氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體部分由空氣壓縮機(jī)改造獲得,并開發(fā)了相應(yīng)的電控進(jìn)、排氣系統(tǒng).同時(shí),團(tuán)隊(duì)自制了精準(zhǔn)的功率檢測(cè)裝置.

本次實(shí)驗(yàn),為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,拆除電控兩級(jí)式氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)二級(jí)氣缸的進(jìn)氣管,將兩級(jí)式氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)改變成單級(jí)式氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),此時(shí)只有一級(jí)氣缸工作,二級(jí)氣缸停止工作,與仿真情形相適應(yīng)，同時(shí)，一級(jí)和二級(jí)電磁閥工作,三級(jí)電磁閥暫停.

另外,實(shí)驗(yàn)時(shí)首先將一級(jí)缸活塞上止點(diǎn)定為0°CA,由電控系統(tǒng)微處理器編程多組實(shí)驗(yàn)對(duì)比得出氣缸最佳進(jìn)、排氣脈寬分別為132°CA和110°CA,然后在臺(tái)架上由已確定的脈寬,多次實(shí)驗(yàn)得出進(jìn)、排氣電磁閥的開閉最佳時(shí)刻如表1所示.發(fā)動(dòng)機(jī)所配用的信號(hào)盤有60個(gè)齒,其中包含3個(gè)異形齒,用來產(chǎn)生脈沖信號(hào)并確定配氣定時(shí).

表1進(jìn)、排氣電磁閥開閉時(shí)刻

Table 1The opening and closing time of inlet and outlet solenoid valve

電磁閥打開時(shí)刻關(guān)閉時(shí)刻一級(jí)電磁閥?=-12°CA時(shí)1)?=120°CA時(shí)二級(jí)電磁閥?=192°CA時(shí)?=302°CA時(shí)

注:1)φ表示曲軸轉(zhuǎn)角,“-”表示進(jìn)氣提前角.

實(shí)驗(yàn)過程中,氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)能在設(shè)定條件下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn).通過缸內(nèi)氣體壓力傳感器測(cè)得實(shí)驗(yàn)中的壓力數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)速n=450 r/min時(shí),實(shí)際壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角變化關(guān)系如圖10所示.

圖10　實(shí)驗(yàn)測(cè)得壓力與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系Fig.10　Relationship between the pressure in experiment and the angle of crank

將動(dòng)網(wǎng)格模擬所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可看出:實(shí)驗(yàn)中,壓力變化規(guī)律同仿真模擬變化規(guī)律一致,但實(shí)際實(shí)驗(yàn)所得壓力低于仿真模擬和理論計(jì)算值,且實(shí)驗(yàn)所得壓力在初期增長速度以及末期減小速度均緩于仿真所得壓力的變化速度,主要原因歸根于關(guān)鍵部件(如氣缸蓋和管道接頭處等)的密封性因加工工藝等問題沒有得到保證.

由實(shí)驗(yàn)所得缸內(nèi)壓力值變化,同理運(yùn)用式(12)至式(14),計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)指示功率P0=0.55 kW.

將仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)所得指示功率進(jìn)行比較分析,由其結(jié)果可知,誤差為11.2%.

實(shí)驗(yàn)中,自制的測(cè)功裝置基本原理如下:將摩擦輪安裝在飛輪和信號(hào)盤之間,通過對(duì)其施加正壓力,則可由摩擦輪的摩擦阻力產(chǎn)生阻力矩,其中摩擦阻力可通過薄膜壓力傳感器所測(cè)得的正壓力計(jì)算得到,結(jié)合公式(15)即可得.

(15)

式中：Pa為有效功率;f為摩擦系數(shù);N為測(cè)功時(shí)的正壓力;R為信號(hào)盤半徑;n為轉(zhuǎn)速.

由實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù),求得Pa=0.45 kW.

綜上,運(yùn)用發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械效率η的計(jì)算公式

(16)

代入計(jì)算數(shù)據(jù)，得到η=81.8%.

6　結(jié)　論

綜上所述,本文對(duì)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸進(jìn)行了基于Fluent動(dòng)網(wǎng)格的數(shù)值模擬分析,并進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn),得出如下結(jié)論:

1)通過數(shù)值模擬分析可知,在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中,高壓氣體的壓力基本未出現(xiàn)氣流分離,在缸內(nèi)流動(dòng)和做功狀態(tài)良好;

2)由模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知,動(dòng)網(wǎng)格模擬和實(shí)際實(shí)驗(yàn)中壓力變化規(guī)律一致,但實(shí)驗(yàn)中高壓氣體有一定的損失量;

3)根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算可得,在氣源壓力為0.8 MPa且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在450 r/min時(shí),氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的指示功率為0.62 kW,由實(shí)驗(yàn)測(cè)算得實(shí)驗(yàn)指示功率為0.55 kW,實(shí)驗(yàn)臺(tái)氣體密封問題導(dǎo)致最大誤差為11.2%.同時(shí),由實(shí)驗(yàn)測(cè)得有效功率為0.45 kW,進(jìn)而求得機(jī)械效率為81.8%.

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Research on characteristics of flow field in the cylinder of air powered engine

LI Yu-long1, SONG Yu1, ZHU De-quan1, JIANG Feng1, ZHU Ye1, JIAO Jun2

(1. School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China;2. College of Information & Computer, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China)

The cylinder flow field in the electronic controlled air powered engine which is new developed is studied as the object. Firstly, the geometry model was built and the pre-processing software-ICEM of CFD was used to mesh the model. Then, the dynamic simulation was done by moving-grid technology in the Fluent software. After it was done, the characteristics of the internal flow field were analyzed, then the distribution of velocity field and pressure field about the gas in the process of working were obtained. At the same time, comparisons were made between the numerical simulation calculation and the experimental results in bench of air powered engine. The results showed that the results with numerical simulation of moving-grid were close to experimental results, the dynamic process of the flow field in cylinder of the engine was accurate and reliable, the results of simulation could provide a reference for the design of the engine. When the rotational speed was 450 r/min, the simulative indicated power of air powered engine was 0.62 kW and the experimental indicated power was 0.55 kW under the same conditions, the maximum error of the indicated power between simulative results and experimental results was 11.2%. The effective power of air powered engine was 0.45 kW by the data in the power measuring device, while using homemade dynamometer device, and then acquiring the mechanical efficiency was 81.8%. The research results provide the basis for the further improvement of the air powered engine’s performance.

air powered engine; moving-grid technology; flow field in cylinder; research on characteristic

2015-09-12．

安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2013A107);安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)穩(wěn)定和引進(jìn)人才基金資助項(xiàng)目(WD2013-11);安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)科骨干培育項(xiàng)目(2014XKPY-49);江蘇省產(chǎn)學(xué)研合作資助項(xiàng)目(BY2012148).

李玉龍(1989—),男,安徽六安人,碩士生,從事車輛動(dòng)力工程、發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研究,E-mail:ahnydxlyl@sina.com.http://orcid.org//0000-0003-0765-7972

通信聯(lián)系人：宋宇(1971—),男,安徽濉溪人,副教授,碩士生導(dǎo)師,博士,從事現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和理論、車輛動(dòng)力學(xué)與控制和清潔能源等研究,E-mail:songyu@ahau.edu.cn．http://orcid.org//0000-0003-0056-6744

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.03.007

U 469.76

A

1006-754X(2016)03-0235-09

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb