天然氣發(fā)動機(jī)進(jìn)氣及壓縮過程三維仿真分析

趙玥　冷建　王鈺琦　林桂賓

摘要：為研究天然氣發(fā)動機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動及天然氣混合規(guī)律，利用Hypermesh和AVL Fire軟件對發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣和壓縮過程進(jìn)行三維仿真，計算進(jìn)氣與壓縮過程的流線分布和天然氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。結(jié)果表明：進(jìn)氣過程中，滾流主要沿氣缸縱向變化，隨著高速氣流流入，在氣門下方生成2個滾流區(qū)，進(jìn)氣道一側(cè)的滾流較遠(yuǎn)離進(jìn)氣道一側(cè)的大，在活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)時滾流能量耗散，被渦流吸收；進(jìn)氣過程中，渦流主要沿氣缸橫向變化，在氣缸頂部形成眾多無規(guī)則的小尺度渦流，氣缸下部氣流趨于穩(wěn)定，形成穩(wěn)定的大尺度渦流；壓縮過程中主要產(chǎn)生是滾流、擠流和湍流，活塞上移，渦流運(yùn)動加強(qiáng)，形成較大尺度的滾流，活塞頂部接近氣缸頂部時，產(chǎn)生擠流，擠流運(yùn)動可以增加上止點(diǎn)附近的湍動能。

關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)動機(jī); Hypermesh; AVL Fire; 模型網(wǎng)格劃分; 三維仿真

中圖分類號：TK431文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-6397（2023）04-0073-06

引用格式：趙玥，冷建，王鈺琦，等. 天然氣發(fā)動機(jī)進(jìn)氣及壓縮過程三維仿真分析［J］.內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2023，40（4）：73-78.

ZHAO Yue， LENG Jian， WANG Yuqi， et al. 3D simulation analysis of intake and compression process in a natural gas engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（4）：73-78.

0 引言

發(fā)動機(jī)研究、測試、設(shè)計中的實(shí)體發(fā)動機(jī)試驗(yàn)必不可少，但是又存在成本高、周期長等問題。隨著計算機(jī)技術(shù)及動力學(xué)仿真理論的發(fā)展，仿真計算在發(fā)動機(jī)研發(fā)中的應(yīng)用越來越多，有效的仿真能對方案比選工作提供實(shí)質(zhì)性的幫助，為動力測試提供一定參考，在一定程度上減少開發(fā)周期和試驗(yàn)成本。由于燃燒與流場分析中模型的復(fù)雜性、邊界條件難以確定、流場內(nèi)混合氣的不均勻性等問題，難以做到準(zhǔn)確定量地仿真[1]。

在天然氣發(fā)動機(jī)的整個工作循環(huán)中，缸內(nèi)氣體的湍流運(yùn)動決定了燃料在缸內(nèi)的運(yùn)動及空間分布，對可燃混合氣形成、火焰?zhèn)鞑?、燃燒品質(zhì)、缸壁傳熱及污染物形成等都有直接影響[2-4]。本文中以一款12缸電噴天然氣發(fā)動機(jī)為研究對象，使用Hypermesh和AVL Fire軟件對天然氣發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣和壓縮過程進(jìn)行三維仿真，研究氣體機(jī)缸內(nèi)氣流運(yùn)動及天然氣混合規(guī)律，為研究流場和燃燒規(guī)律提供參考。

1 模型網(wǎng)格劃分和計算參數(shù)

1.1 網(wǎng)格劃分

建模時，從Pro-E導(dǎo)入原始實(shí)體模型，刪除實(shí)體，保留面組合模型，形成劃分網(wǎng)格需要使用的空心模型后，檢查各結(jié)構(gòu)尺寸，確認(rèn)模型形狀規(guī)則、結(jié)合面平滑封閉，不存在細(xì)小尖銳部分，便于流場分析。

該發(fā)動機(jī)采用缸外預(yù)混方式，噴嘴位于進(jìn)氣道偏下方，離進(jìn)氣門較近，噴嘴形狀和大小對缸內(nèi)氣體混合影響較小，因此忽略噴嘴結(jié)構(gòu)。原始模型由進(jìn)氣道、排氣道、2個進(jìn)氣門、2個排氣門、活塞、活力面組成。研究進(jìn)氣沖程時，忽略排氣門早開、晚關(guān)，排氣門視為始終關(guān)閉，因此可以簡化模型，將排氣道和排氣門去掉，將活力面、燃燒室、氣道以及結(jié)合處封閉[5-6]。

按照先小后大的原則，從較小部位開始劃分網(wǎng)格。過大的網(wǎng)格容易產(chǎn)生小角度，不利于后續(xù)網(wǎng)格計算，因此較小的部位使用盡量小的網(wǎng)格，大平坦的部位可以使用較大網(wǎng)格。以進(jìn)氣道為例，進(jìn)氣門座圈、進(jìn)氣門上端等均為較小部位，優(yōu)先對該部位進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并使用盡可能小的尺寸，剩余部分可選用較大尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成進(jìn)氣道網(wǎng)格。按相同方法，依次對進(jìn)氣門、活力面、活塞進(jìn)行網(wǎng)格劃分[7-8]，各結(jié)構(gòu)初始網(wǎng)格模型如圖1所示。

簡化后的最終完整單缸網(wǎng)格模型如圖2所示。

網(wǎng)格處理結(jié)束后，對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查修正，對不良質(zhì)量的網(wǎng)格重新劃分，對缺乏約束的邊進(jìn)行補(bǔ)面，確保網(wǎng)格模型不影響計算。

1.2 計算參數(shù)

1.2.1 邊界條件

邊界條件是指求解域的邊界上求解的變量或其一階導(dǎo)數(shù)隨時間及位置變化的規(guī)律。只有給定合理邊界條件，才可能求出流場的解[9]。

進(jìn)氣過程的模擬需要提供進(jìn)氣壓力或速度等條件，因?yàn)槿鄙賹?shí)測數(shù)據(jù)，采用進(jìn)氣質(zhì)量流量條件。采用GT-Power仿真計算不同曲軸轉(zhuǎn)角下的進(jìn)氣質(zhì)量流量qm，結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)文獻(xiàn)，其他邊界條件（主要是溫度邊界條件和壁面類型）如表1所示。

1.2.2 初始條件

對于瞬態(tài)計算，初始條件設(shè)置必須準(zhǔn)確，保證后續(xù)時間步的結(jié)果準(zhǔn)確。初始條件主要包括溫度、壓力、湍流參數(shù)、速度、密度、標(biāo)量等，其中溫度、壓力、密度分別為310 K、101 kPa、1.19 kg/m3。

v=hn/30，其中，v為單位為m/s的活塞平均速度的數(shù)值，h為單位為m的發(fā)動機(jī)行程的數(shù)值，n為單位為r/min的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)值。

初始條件中進(jìn)氣門關(guān)閉時的湍流動能TKE和湍流長度尺度LTLS[10]：

TKE=1.5u2，

LTLS=0.5L，

式中：u為湍流脈動速度，u=0.25v，m/s；L為氣門升程，m。

本文中，h=0.21 m，n=1 300 r/min，v=9.1 m/s，u=2.275 m/s，L=0.011 3 m，經(jīng)計算可以得到：TKE=7.763 438 m2/s2，LTLS=0.005 65 m。

2 缸內(nèi)氣流運(yùn)動及混合氣形成規(guī)律

為觀察缸內(nèi)天然氣的混合規(guī)律，排除噴射時刻及噴射時間對試驗(yàn)的影響，選定噴射時刻對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角為400°、噴射時間為5 ms時的混合氣形成過程進(jìn)行分析。本文中應(yīng)用可以直觀展現(xiàn)天然氣與空氣混合過程的AVL Fire軟件，對混合氣形成過程進(jìn)行分析。

2.1 進(jìn)氣過程

進(jìn)氣過程天然氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氣體流線分布如圖4、5所示，分圖題中角度均為曲軸轉(zhuǎn)角。

由圖4、5可知：天然氣從噴嘴噴出后大部分沿第1個進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸，少量從第2個進(jìn)氣門進(jìn)入；進(jìn)入氣缸后，天然氣受進(jìn)氣氣流的沖擊而擴(kuò)散，開始時天然氣主要在進(jìn)氣道氣門下方的區(qū)域擴(kuò)散，遠(yuǎn)離進(jìn)氣道進(jìn)氣門的一側(cè)幾乎沒有，同時由于2股進(jìn)氣滾流的影響，其相遇區(qū)域成為劃分天然氣有無的分界線，不利于混合氣的形成；隨著活塞的下移，由于靠近進(jìn)氣道側(cè)的進(jìn)氣門氣流流速更大，使得該側(cè)滾流逐漸擠壓另一側(cè)，到達(dá)底部時轉(zhuǎn)變方向向上運(yùn)動；在進(jìn)氣過程的后期，缸內(nèi)渦流逐漸穩(wěn)定，天然氣與空氣逐漸擴(kuò)散到另一側(cè)混合均勻，但進(jìn)氣門側(cè)天然氣濃度更高，排氣門下方附近區(qū)域濃度較低，原因?yàn)閲娮煳挥谶M(jìn)氣門一側(cè)，使得遠(yuǎn)離進(jìn)氣門側(cè)的天然氣很少，并且進(jìn)氣過程中2個滾流區(qū)的相互撞擊阻礙天然氣擴(kuò)散，因此進(jìn)氣門側(cè)附近天然氣濃度較高，排氣門側(cè)附近的氣流運(yùn)動較弱，該區(qū)域天然氣始終較稀?？梢酝ㄟ^改變噴嘴安裝位置，如使噴嘴的位置適當(dāng)遠(yuǎn)離第1個進(jìn)氣門，也可適當(dāng)增大缸內(nèi)湍流強(qiáng)度以提高天然氣傳播速度，從而克服噴嘴位置的不利影響。

2.2 壓縮過程

壓縮過程中天然氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及氣體流線分布如圖6、7所示，分圖題中角度均為曲軸轉(zhuǎn)角。由圖6、7可知：隨著活塞上移，下部滾流的產(chǎn)生使得進(jìn)氣門側(cè)下方的天然氣濃度依然很高，排氣門側(cè)上方區(qū)域天然氣濃度一直很低，不利于均勻混合氣的形成。

2.3 缸內(nèi)氣流運(yùn)動規(guī)律

進(jìn)氣過程中，滾流主要沿著氣缸縱向變化。進(jìn)氣門開啟，進(jìn)氣道內(nèi)的氣流以較快的速度撞擊氣門桿后沿著氣門座流入氣缸內(nèi)，開始時氣門開度小，受到流通截面積限制，此時氣門周圍的流速最大。隨著高速氣流流入，在氣門下方形成2個滾流區(qū)，在活塞下行過程中，2滾流區(qū)的中間地帶相互影響，由于進(jìn)氣的不對稱性，靠近進(jìn)氣道一側(cè)的進(jìn)氣門流入的氣流量比另一側(cè)多，所以滾流區(qū)在面積增大的同時，由進(jìn)氣道一側(cè)逐漸壓倒另一側(cè)，在活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)時滾流能量耗散，逐漸被渦流吸收。

進(jìn)氣過程中，渦流主要沿氣缸橫向變化。進(jìn)氣門開啟時，進(jìn)氣量少，氣流高速進(jìn)入缸內(nèi)，在氣缸頂部形成眾多無規(guī)則的小尺度渦流。隨著進(jìn)氣門開度增大以及活塞下移，進(jìn)入氣缸的氣流量增大，體積也逐漸增大，在氣缸上部依然不斷形成無規(guī)則的小尺度渦流，越往氣缸下部，氣流越趨于穩(wěn)定，下部吸收上面的小尺度渦流形成穩(wěn)定的大尺度渦流。其中比較特殊的是在進(jìn)氣門下方附近的壁面處產(chǎn)生回流，這是由于進(jìn)氣門下方的空氣被周圍的進(jìn)氣射流所卷吸，使得進(jìn)氣門下方的壓力小于其他區(qū)域，這一回流區(qū)域一直存在持續(xù)到活塞到達(dá)下止點(diǎn)。

壓縮過程中主要產(chǎn)生滾流、擠流和湍流。由于活塞上移的擠壓，使得活塞頂部已趨于穩(wěn)定的渦流，軸向運(yùn)動受到限制，渦流運(yùn)動加強(qiáng)，形成較大尺度的滾流。在壓縮行程后期，活塞頂部接近氣缸頂部時，會產(chǎn)生擠流，擠流運(yùn)動可以增加上止點(diǎn)附近的湍動能。

3 結(jié)論

1）進(jìn)氣過程中，滾流主要沿著氣缸縱向變化，隨著高速氣流的流入，在氣門下方生成2個滾流區(qū)，進(jìn)氣道一側(cè)的滾流比遠(yuǎn)離進(jìn)氣道一側(cè)大，在活塞運(yùn)行到下止點(diǎn)時滾流能量耗散，被渦流吸收；進(jìn)氣過程中，渦流主要沿氣缸橫向變化，在氣缸頂部形成眾多無規(guī)則的小尺度渦流，氣缸下部氣流趨于穩(wěn)定，形成穩(wěn)定的大尺度渦流。缸內(nèi)2滾流區(qū)域的限制對于天然氣的傳播造成不利影響。

2）壓縮過程中主要產(chǎn)生滾流、擠流和湍流，活塞上移，渦流運(yùn)動加強(qiáng)，形成較大尺度的滾流，活塞頂部接近氣缸頂部時，產(chǎn)生擠流，擠流運(yùn)動可以增加上止點(diǎn)附近的湍動能。

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3D simulation analysis of intake and compression process in a natural gas engine

ZHAO Yue， LENG Jian， WANG Yuqi， LIN Guibin

Sinotruk Automotive Research Institute， Jinan 250102， China

Abstract：In order to study the airflow movement and natural gas mixing in the cylinder of a gas engine， Hypermesh and AVL Fire software are used to conduct three-dimensional simulation of the intake and compression?processes of the gas engine. The streamline and natural gas concentration distribution of the intake

and compression processes are calculated. The results show that during the intake process， the rolling flow mainly changed along the longitudinal direction of the cylinder， and as the high-speed airflow entered， two rolling flow zones are generated below the valve. The roll flow ratio on one side of the inlet is greater than that on the side away from the inlet， and when the piston reaches bottom dead center， the roll flow energy is dissipated and absorbed by the eddy current. During the intake process， the vortices mainly change laterally along the cylinder， form numerous irregular small-scale vortices at the top of the cylinder. The airflow in the lower part of the cylinder tend to become more stable， form stable large-scale vortices. The main processes generated during compression are rolling， squeezing， and turbulence. As the piston moved up， the vortex motion strengthenes， forming a larger scale rolling flow. When the top of the piston approaches the top of the cylinder， squeezing is generated， which could increase the turbulent kinetic energy near the top dead center.

Keywords：natural gas engine; Hypermesh; AVL Fire; model grid division; 3D simulation

（責(zé)任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2023-06-28

第一作者簡介：趙玥（1990—），女，濟(jì)南人，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計制造及其自動化，E-mail：610318771@qq.com。