張瀟揚,任洪娟,孫裴,周梓桐,李超,朱祉彧,毛翼華
(上海工程技術(shù)大學機械與汽車工程學院,上海 201620)
在內(nèi)燃機中,進氣道結(jié)構(gòu)對缸內(nèi)氣體的流動與燃燒過程具有關(guān)鍵作用,通過影響缸內(nèi)氣體速度分布、進氣量和湍動能,進而影響發(fā)動機燃油經(jīng)濟性與動力性。然而,節(jié)能賽車對于經(jīng)濟型與動力性又有著更高的要求,需要在這兩者之間找到一個更加精確的平衡點。因此,進氣道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對于提升節(jié)能賽車的成績有著至關(guān)重要的作用。對于汽油機來說,進氣道分為兩種,直氣道和切向氣道,描述兩種進氣道性能的參數(shù)皆為流量系數(shù)和滾流比。
由于進氣道結(jié)構(gòu)復雜,傳統(tǒng)實驗法通過不斷改變實際進氣道內(nèi)部結(jié)構(gòu)并通過試驗得到較高的流量系數(shù),較低的滾流阻力和適當強度的進氣渦流。為了減少實驗工作,我們通過硅膠翻模和3D 掃描技術(shù)將得到的點云通過UG 建立進氣道模型,并通過Fluent 對進氣道結(jié)構(gòu)進行性能檢驗,對缺陷部分進行模型改進并通過仿真分析進行性能預測。分析不同氣門升程下,缸內(nèi)氣體速度、壓力和湍流強度變化。
硅膠倒模、3D 掃描、UG 逆向建模。
進氣道-氣門-氣缸。
利用Fluent 對發(fā)動機進氣道與缸內(nèi)氣體流場包括:氣體質(zhì)量、動量、能量守恒及狀態(tài)方程。本身發(fā)動機進氣過程為可壓縮三維非定常流并伴隨有摩擦與發(fā)熱現(xiàn)象。為了簡化分析過程,我們采用時均方程加湍流模型k-ε 方程的方法。
圖1 進氣道三維模型
對于模型有很高的計算精度,能達到預期效果。
采用固定壁面邊界,假定為絕熱的,無滑移,邊界層采用標準壁面函數(shù),壁面溫度邊界設為定溫293.15K。選擇初始化模式為有勢場。進出口邊界取壓力差3kPa,即進口為標準大氣壓,總壓設為100kPa;出口取靜壓97kPa。氣道內(nèi)氣體的流動是三維可壓縮黏性流動,氣流成分取標準空氣。壓力為98kPa,密度為31.164 81kg/m,我們選擇中心差分法對流動方程進行離散求解。
且Lsinβ=Rsinα
所以sinβ=Rsinα/L=λsinα (R/L=λ)
所 以cosβ= √(1-sin2β)= √(1-λ2sin2α)≈1-(1/2)λ2sin2α
( 因(1/4)λ4sin4α幾乎為零,可帶入√(1-λ2sin2α)內(nèi),分解為√(1-(1/2)λ2sin2α)2)
且sin2α=(1-cosα)/2
所以cosβ=(1/4)λ2(1-cos2α)
所以有滑塊運行距離:
滑塊的速度V 為
進氣速度:
V’=ωR(S 缸/S 進)(比例約為2.8)
表1 發(fā)動機部分參數(shù)
表2 不同轉(zhuǎn)速下對應的進氣速度
先通過硅膠倒模導出進氣道內(nèi)腔模型,通過3D 掃描得到進氣道結(jié)構(gòu),通過UG 建立進氣道模型對氣門處過于復雜的結(jié)構(gòu)進行適當簡化,通過四邊形網(wǎng)格與六邊形網(wǎng)格對進氣道實體模型進行劃分,并對不同部分進行自動網(wǎng)格化建立。
由不通氣門升程下,缸內(nèi)速度矢量分布圖可以看出氣門座內(nèi)側(cè)(下口處),出現(xiàn)了明顯的壓力集中現(xiàn)象,在氣道轉(zhuǎn)彎處缸壁下方出現(xiàn)壓降現(xiàn)象,氣門處也出現(xiàn)壓降現(xiàn)象,這是由于氣道在轉(zhuǎn)彎處過渡不平順,氣流流經(jīng)此處時速度產(chǎn)生分離,局部形成渦流狀態(tài)引起的阻力損失。在氣門處速度很大,氣流流通面積小,產(chǎn)生壓降速度最快。
在保證進氣道截面積不變的情況下,對進氣道喉口下側(cè)部位進行優(yōu)化,稍微縮小,減小下側(cè)的進氣量,同時將進氣道部分曲面優(yōu)化更加平滑,增加結(jié)構(gòu)的平順性。
為了比較不同幾何參數(shù)的進氣道的性能,本文用無量綱流量系數(shù)評價不同氣門升程下進氣道流通性能的好壞,用無量綱滾流比評價不同氣門升程下氣道形成滾流的能力,并采用avl 評價方法。
流量系數(shù):在發(fā)動機進氣道數(shù)值模擬計算中,無量綱流量系數(shù)Cf 表示通過氣道的實際流量與理論流量之比。
對Cf 按照AVL 標準氣門升程曲線進行積分計算,求得積分后的流量系數(shù)稱為平均流量系數(shù)Cfm:
式中:cactual為活塞實際運動速度,m/s;caverage為活塞平均運動速度,m/s。
滾流比:在數(shù)值模擬計算中,假定缸內(nèi)流場平均軸向速度等于活塞平均速度,則滾流比TR 為
對TR 按照AVL 標準氣門升程曲線進行積分計算,稱為平均滾流比TRfm
圖2 滾流比
由圖可知,適當減小喉口下側(cè)進氣量,增大進氣角,使得流量系數(shù)右下幅度的增加;流量比在氣門升程處于4 ~6mm 區(qū)間中大幅度提高。
(1)通過減小進氣門座下側(cè)的進氣量,增大進氣角度,增大進氣門上下側(cè)進氣量差,提高滾流比。(2)通過增加氣門座處的平順性,來減少進氣阻力,獲得更高的流量系數(shù)。