發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道CFD數(shù)值模擬

李 軍，李林鳳

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道CFD數(shù)值模擬

李 軍，李林鳳

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074)

應(yīng)用CFD(computational fluid dynamics)對(duì)某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)雙進(jìn)氣道進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算得出氣門在不同升程下的進(jìn)氣流量系數(shù)、渦流比及滾流比。通過(guò)將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，顯示數(shù)據(jù)吻合良好，流量系數(shù)較高，并總結(jié)出了不同升程下氣道流量系數(shù)的變化規(guī)律；同時(shí)，模擬結(jié)果表明氣道-缸內(nèi)具有良好的進(jìn)氣效果和明顯的缸內(nèi)滾流運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了CFD模擬的氣道結(jié)構(gòu)的合理性。

車輛工程；雙進(jìn)氣道；CFD；流量系數(shù)；滾流

汽油機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)燃燒有很大的影響，并與整車燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性及排放性能有直接關(guān)系[1]。作為進(jìn)氣系統(tǒng)重要組成部分，進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)直接影響了進(jìn)氣量、氣體的速度分布及湍流流動(dòng)狀況等，最終影響到汽油機(jī)的燃燒過(guò)程；因此對(duì)進(jìn)氣道合理的設(shè)計(jì)、優(yōu)化顯得尤為重要。陳有方等[2]、孫平等[3]、李明海等[4]和徐玉梁等[5]分別對(duì)螺旋進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化分析，改進(jìn)了進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)，但未對(duì)切向氣道進(jìn)行詳細(xì)的流場(chǎng)分析；張超等[6]利用CFD軟件對(duì)某進(jìn)氣道進(jìn)行數(shù)值分析，得到模擬的流量系數(shù)和滾流比均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)汽油機(jī)切向進(jìn)氣道的分析研究還相對(duì)較少。而采用切向進(jìn)氣道有助于改進(jìn)進(jìn)氣渦流、提高滾流比；并且缸內(nèi)滾流對(duì)汽油機(jī)影響較大，所以充分了解掌握缸內(nèi)滾流的形成過(guò)程非常重要。

筆者以某型號(hào)汽油機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)氣道進(jìn)行CFD數(shù)值模擬。筆者所選發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道采用雙切向氣道模式，切向氣道形狀平直，進(jìn)氣前強(qiáng)烈收縮，利用進(jìn)氣氣流對(duì)氣缸中心的動(dòng)量矩，產(chǎn)生繞氣缸縱軸旋轉(zhuǎn)的進(jìn)氣渦流。通過(guò)對(duì)所得模擬數(shù)據(jù)和氣道的流動(dòng)特性分析，驗(yàn)證CFD數(shù)值模擬氣道結(jié)構(gòu)的合理性并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 進(jìn)氣道穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特性的評(píng)價(jià)

目前國(guó)內(nèi)外所進(jìn)行的穩(wěn)流試驗(yàn)中，進(jìn)氣道流動(dòng)特性評(píng)價(jià)方法有Ricardo法、AVL法、FEV法、SwRI法等[7]；筆者采用Ricardo評(píng)價(jià)法。在穩(wěn)流試驗(yàn)中，Ricardo評(píng)價(jià)法假設(shè)氣道中的氣體流動(dòng)為不可壓縮且絕熱；在氣道試驗(yàn)或發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況時(shí)，氣道內(nèi)具有相同的氣體流動(dòng)特性；發(fā)動(dòng)機(jī)容積效率為100%；缸內(nèi)存在非彈性渦流區(qū)；在進(jìn)氣過(guò)程中，缸內(nèi)外壓差恒定；不考慮內(nèi)流系統(tǒng)的摩擦影響；進(jìn)氣門打開(kāi)到進(jìn)氣門關(guān)閉為進(jìn)氣過(guò)程區(qū)間。

1.1 流量系數(shù)

無(wú)量綱流量系數(shù)Cp一般用來(lái)評(píng)價(jià)和比較不同形狀、尺寸的氣道流動(dòng)特性，也可用來(lái)評(píng)價(jià)不同氣門升程下氣道的阻力特性或流通能力。

流量系數(shù)Cp定義為氣門座的實(shí)際空氣流量與理論空氣流量的比值，即：

(1)

式中：Q為流經(jīng)氣道的實(shí)際流量，m3/s；n為進(jìn)氣門數(shù)；A為氣門座內(nèi)截面面積，m2；Vqd表示理論進(jìn)氣速度，m/s。

(2)

式中：dv為氣門座內(nèi)徑；i為進(jìn)氣門數(shù)量。

(3)

式中：ΔP為氣道壓差；ρ為壓差測(cè)量點(diǎn)處氣體密度。

1.2 渦流(滾流)比

渦流穩(wěn)態(tài)研究一般在距缸頭1.75倍處的缸徑面上，以與氣缸軸線平行線為中心軸的旋流定義為渦流。Ricardo無(wú)量綱渦流(滾流)強(qiáng)度NR定義為每個(gè)氣門升程下氣缸壁面渦流(滾流)切向線速度的2倍與氣門口位置理論流速之比，即：

(4)

式中：ωR為渦流旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；B為氣缸直徑，m。

2 進(jìn)氣道數(shù)值模擬

2.1 幾何模型及網(wǎng)格

根據(jù)缸心距、氣缸中心線、氣缸底平面、進(jìn)氣道軸線和氣道中心面得到氣道幾何模型。為避免出口邊界處的流場(chǎng)對(duì)缸內(nèi)流場(chǎng)造成影響，并為保證計(jì)算的收斂性和流場(chǎng)的穩(wěn)定性，用長(zhǎng)度為2.5倍缸徑的圓柱體來(lái)代替氣缸[8]；與此同時(shí)，為防止進(jìn)氣道進(jìn)口處形成湍流，模型中在進(jìn)氣道入口處設(shè)置一個(gè)邊長(zhǎng)為100 mm的方形穩(wěn)壓箱。

筆者采用FAME網(wǎng)格生成技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格模型包括穩(wěn)壓腔、進(jìn)氣道、氣缸墊、氣缸，并對(duì)進(jìn)氣道、氣門座圈、氣門、氣門墊等部位進(jìn)行不同程度的加密處理。最終得到氣門升程從1～8 mm時(shí)，網(wǎng)格總數(shù)在80萬(wàn)～90萬(wàn)之間，其中最大單元尺寸為5 mm，最小為0.156 mm。圖1(a)為進(jìn)氣道整體網(wǎng)格模型；圖1(b)為8mm升程時(shí)對(duì)氣門局部網(wǎng)格進(jìn)行的細(xì)化，以保證計(jì)算精確度。

圖1 進(jìn)氣道網(wǎng)格模型Fig.1 Grid model of intake ports

2.2 邊界條件

1) 邊界條件設(shè)定為固定壁面邊界，絕熱無(wú)滑移，固定壁面溫度為297 K，同時(shí)在對(duì)邊界層進(jìn)行處理時(shí)采用湍流壁面函數(shù)[9]。

2) 采用穩(wěn)流試驗(yàn)條件，設(shè)定入口邊界氣流總壓為100 kPa，出口靜壓的邊界條件定義為98 kPa，進(jìn)出口壓差設(shè)定為2 kPa，計(jì)算時(shí)的壓差值與試驗(yàn)保持一致。

2.3 數(shù)學(xué)模型與數(shù)值方法

初始條件中設(shè)定參考?jí)毫?00 kPa，參考溫度為297 K。為加快計(jì)算的收斂速度，初始模式選擇勢(shì)流模式[10]。求解方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及標(biāo)準(zhǔn)κ-ε雙方程模型(湍流模型)[11-12]。收斂精度設(shè)定為10-4，當(dāng)各個(gè)方程的迭代殘差均小于收斂精度時(shí)，判定計(jì)算收斂。

3 模擬結(jié)果與分析

根據(jù)流量系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比(圖2)可以得出：CFD計(jì)算得到的流量系數(shù)與試驗(yàn)得到的數(shù)值均隨氣門升程的增加而增加，數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同，且吻合良好。當(dāng)小氣門升程時(shí)，氣流流通截面較小，壁面函數(shù)模型在高雷諾數(shù)下精度降低，此時(shí)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合稍差；當(dāng)大氣門升程時(shí)誤差控制在5%以內(nèi)。造成該誤差的原因主要有兩個(gè)：① 氣門座處的流場(chǎng)梯度在氣門升程較小時(shí)，局部會(huì)變大，湍流強(qiáng)度也同時(shí)增大，這使得計(jì)算值在相同網(wǎng)格數(shù)量時(shí)的誤差變大；② 當(dāng)流通截面較小時(shí)，流量和流量計(jì)數(shù)都較小，數(shù)值不容易讀準(zhǔn)確。這兩種原因?qū)е職忾T升程較小和較大時(shí)計(jì)算值與試驗(yàn)值存在的誤差，屬于正常現(xiàn)象。因此認(rèn)為該計(jì)算模型正確，模擬結(jié)果可以作為分析氣道性能的依據(jù)。

圖2 流量系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.2 Comparison of calculation values of flow coefficient with experimental values

根據(jù)所測(cè)數(shù)據(jù)繪制成不同氣門升程時(shí)渦流比與滾流比，如圖3。通過(guò)與試驗(yàn)值對(duì)比，渦流比和滾流比均與試驗(yàn)值吻合較好，并且計(jì)算得出平均渦流數(shù)趨近于0，符合氣道性能要求。

圖3 不同氣門升程時(shí)渦流比與滾流比Fig.3 Swirl ratios and tumble ratios under different valve lifts

由圖3可以看出：在不同氣門升程下計(jì)算的得到的渦流比值都很小，并且氣流速度有正反兩個(gè)方向上的變化，這說(shuō)明氣流速度方向不穩(wěn)定，氣缸內(nèi)沒(méi)有形成大范圍的渦流；缸內(nèi)滾流比隨氣門升程的增加而增加，當(dāng)氣門開(kāi)度達(dá)到最大時(shí)，缸內(nèi)已經(jīng)形成較大尺度的滾流。

滾流促進(jìn)缸內(nèi)形成良好的混合氣，以提高缸內(nèi)的燃燒速率，抑制了爆震的出現(xiàn)，減少循環(huán)時(shí)出現(xiàn)的變動(dòng)，有效提高了汽油機(jī)的燃燒能力。因此汽油機(jī)缸內(nèi)形成大尺度滾流對(duì)提高和改善汽油機(jī)性能有很大幫助。根據(jù)氣門中心X向截面速度矢量圖(圖4)，可以看出在1～2 mm氣門升程時(shí)，氣缸內(nèi)氣流流動(dòng)沒(méi)有明顯規(guī)律；在3～6 mm氣門升程時(shí)，滾流正逐步形成，已開(kāi)始具有一定滾流強(qiáng)度；在7～8 mm氣門升程時(shí)，缸內(nèi)形成了明顯滾流運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)氣過(guò)程中首先會(huì)出現(xiàn)雙渦形式滾流，然后逐漸演變?yōu)閱螠u旋滾流運(yùn)動(dòng)。進(jìn)氣行程時(shí)，缸內(nèi)滾流迅速增強(qiáng)，形成兩個(gè)明顯的滾動(dòng)漩渦，隨后滾流變化較為緩慢；壓縮行程時(shí)，活塞上移過(guò)程中形成一個(gè)明顯的大尺度滾流。

圖4 不同升程時(shí)缸內(nèi)滾流運(yùn)動(dòng)情況Fig.4 Tumble flow movement in cylinder under different lifts

因此，在實(shí)際氣道開(kāi)發(fā)中，要充分利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，減少設(shè)計(jì)過(guò)程的時(shí)間消耗，快速準(zhǔn)確地掌握缸內(nèi)氣體流動(dòng)狀況。在氣道設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮缸內(nèi)渦流、滾流對(duì)氣道性能的影響，增大缸內(nèi)滾流強(qiáng)度，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。通過(guò)對(duì)不同氣門升程時(shí)氣道-氣缸內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析，進(jìn)氣最大速度均發(fā)生在氣道沿程最小截面(氣道喉口附近)處，最小截面若設(shè)計(jì)不合理將直接影響氣道的進(jìn)氣道，并且氣流在氣門底部形成倒流，一定程度上影響了缸內(nèi)氣體充分混合。所以，在氣道設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，建議充分考慮最小截面和氣門座對(duì)氣道-氣缸流場(chǎng)的影響。

4 結(jié) 論

1) 通過(guò)對(duì)進(jìn)氣道數(shù)值模擬計(jì)算，得出了不同氣門升程下進(jìn)氣道流量系數(shù)的變化規(guī)律。其穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度良好，并且在大氣門升程時(shí)流量系數(shù)誤差小于5%。

2) 各氣門升程下的渦流比較小，渦流轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定，說(shuō)明缸內(nèi)沒(méi)有形成大尺度渦流。缸內(nèi)滾流比隨氣門升程的增加而增加。在氣道設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分考慮缸內(nèi)渦流、滾流對(duì)氣道性能的影響，增大缸內(nèi)滾流強(qiáng)度，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

3) 在氣道開(kāi)發(fā)過(guò)程中，要充分考慮氣道最小截面和氣門座對(duì)氣道-氣缸內(nèi)流場(chǎng)的影響，合理設(shè)計(jì)最小截面和氣門座。

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(責(zé)任編輯：劉 韜)

Numerical Simulation of Intake Ports of Engine Based on CFD

LI Jun，LI Linfeng

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China)

CFD (Computational Fluid Dynamics) was applied to numerical simulation of double intake ports of a certain type of engine，and the flow coefficient，swirl ratio and tumble ratio of vent valve under different lifts were obtained.Through comparing the calculation results with the test results，the data show good agreement and higher flow coefficient，and the variation rule of flow coefficient of airway under different lifts is summarized.Meanwhile，simulation results show that：the airway-in-cylinder has a good intake effect and obvious in-cylinder tumble flow，which further verifies the rationality of CFD simulation of the ports structure.

vehicle engineering；double intake ports；CFD；flow coefficient；tumble flow

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.08.20

2016-04-05；

2016-06-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305472)；重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(CSTC2013yykfB0184)；重慶市城市軌道交通車輛系統(tǒng)集成與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(csct2015yfpt-zdsys30001)

李 軍(1964—)，男，重慶人，教授，博士，主要從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放與控制及新能源汽車方面的研究。E-mail：cqleejun@sina.com。

李林鳳(1992—)，女，河北保定人，碩士研究生，主要從事汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣方面的研究。E-mail：466234671@qq.com。

U464.12+2

A

1674-0696(2017)08-115-04