小型風(fēng)冷柴油機(jī)鑲塊雙通道傾角對(duì)渦流特性的影響

馬 儀，袁文華，伏 軍，陳 偉，湯 遠(yuǎn)

(邵陽(yáng)學(xué)院機(jī)械與能源工程系，湖南邵陽(yáng)422000)

小型渦流式風(fēng)冷柴油機(jī)具有性能好、排放低、噪聲小、成本低、輕量化及工作可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、制造維修方便等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)用機(jī)械、小型船舶、小型工程機(jī)械等方面，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)特別是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展作出了很大的貢獻(xiàn).但較水冷柴油機(jī)而言，仍存在熱負(fù)荷高、充量系數(shù)低及平均有效壓力低 (5% 左右)等缺陷［1-2］，因此在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上對(duì)渦流室式風(fēng)冷柴油機(jī)的燃燒系統(tǒng)作進(jìn)一步的改進(jìn)研究有重大的現(xiàn)實(shí)意義，其中，鑲塊連接通道的形狀、尺寸、傾角和位置等因素對(duì)渦流室中氣流運(yùn)動(dòng)形態(tài)和強(qiáng)度都有很大的影響［3］，國(guó)內(nèi)外已對(duì)此作了較多的研究，如廖世勇等人［4］提出新型連接通道，通過(guò)改變連接通道的截面積來(lái)改善燃燒效率的研究，Tadao Okazaki等人對(duì)不同連接通道形狀的研究，朱廣圣等人［5］利用高速攝影的方法，進(jìn)一步計(jì)算了連接通道結(jié)構(gòu)(角度及位置)對(duì)渦流室內(nèi)空氣流動(dòng)特性的影響的研究，唐智等人［6］對(duì)連接通道與氣缸的不同夾角的研究，還有小松源一通過(guò)對(duì)渦流室內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)的三維數(shù)值模擬［7］連接通道對(duì)渦流室內(nèi)空氣流場(chǎng)影響的研究.但目前在鑲塊雙連接通道結(jié)構(gòu)上的研究較少.

為此，以BH175F小型風(fēng)冷柴油機(jī)為研究對(duì)象，將原鑲塊單通道改為雙通道，針對(duì)不同的安裝傾角方案，基于FLUENT模擬仿真，研究其渦流室內(nèi)空氣流動(dòng)特性變化情況.

1 雙通道渦流室模型的建立

1.1 物理模型

柴油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)如表1所示.

表1 BH175F風(fēng)冷柴油機(jī)基本技術(shù)參數(shù)Tab.1 Parameters of BH175F air-cooled diesel engine

原鑲塊長(zhǎng)圓形連接通道長(zhǎng)與寬尺寸分別為12 mm、4mm，新設(shè)計(jì)的兩通道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)、寬分別為9 mm、3mm，如圖1所示.

圖1 雙通道渦流室鑲塊幾何尺寸Fig.1 Geometry dimension of two connected channel of swirl chamber

1.2 仿真計(jì)算

針對(duì)上述鑲塊雙通道(安裝傾角30°)的渦流室式燃耗系統(tǒng)，為減少網(wǎng)格數(shù)量、改善網(wǎng)格劃分質(zhì)量并節(jié)省計(jì)算時(shí)間，適當(dāng)簡(jiǎn)化了模型:

(1)不涉及啟動(dòng)孔;

(2)不考慮壓縮末期燃油噴射，僅考慮活塞從曲軸轉(zhuǎn)角210°CA運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn)(TDC)時(shí)渦流室及通道流場(chǎng)情況;

(3)考慮到進(jìn)、排氣門均處于關(guān)閉，模型中進(jìn)、排氣門均作壁面處理;

(4)視壓縮空氣為理想氣體.

網(wǎng)格劃分時(shí)，在氣缸、連接通道部分采用cooper六面體類型，渦流室內(nèi)采用四面體與部分楔形網(wǎng)格混合網(wǎng)格，生成的網(wǎng)格總數(shù)約30萬(wàn)，網(wǎng)格劃分效果如圖2所示.

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Gridding for swirl chamber

求解過(guò)程中，采用活塞動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和非穩(wěn)態(tài)壓力基求解器，求解控制使用壓力的隱式算子分割算法PISO.

在FLUENT求解器中設(shè)置湍流模型時(shí)，由于標(biāo)準(zhǔn)k-ε僅適應(yīng)于完全湍流過(guò)程，對(duì)大傾斜角等流動(dòng)則不適宜，不能夠?qū)α骶€的彎曲做出很好的反應(yīng)，因此采用重整化群 k-ε 湍流模型(RNG k-ε)，即

湍動(dòng)能方程:

耗散率方程:

式中，Gk—平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;Gb—浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;YM—可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響;αk、αε—分別為湍動(dòng)能 k和耗散率 ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)，對(duì)應(yīng)的有效湍流普朗特?cái)?shù)分別為 1.0、1.3;C1ε、C2ε、C3ε 分別取值為 1.44、1.92、0.09;pA、pB分別為連接通道進(jìn)出口出的氣體壓強(qiáng)，kPa;R為通用氣體常數(shù)，KJ/(mol.K);T為熱力學(xué)溫度，K.

湍流粘性系數(shù):

上述積分求解可精確到有效Reynolds數(shù)(渦旋尺度)對(duì)湍流輸運(yùn)的影響，有助于處理低Reynolds數(shù)和近壁流動(dòng)問(wèn)題.而對(duì)于高Reynolds數(shù)，式(3)可給出默認(rèn)常數(shù):

2 模擬計(jì)算結(jié)果和分析

圖3中aa線為通過(guò)渦流室上半圓圓心O點(diǎn)的水平徑線;bb線通過(guò)圓心O點(diǎn)，其方向近似代表實(shí)際渦流式發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油方向，圖中鑲塊雙通道安裝傾角4種方案A～D 分別為 30°、40°、45°、50°，針對(duì)這 4 種方案進(jìn)行仿真計(jì)算.

圖3 計(jì)算采用的渦流室模型Fig.3 Swirl chamber model

當(dāng)連接通道傾角為30°即方案A時(shí)，如圖4所示，240°CA時(shí)在通道的右端邊緣開(kāi)始形成微弱的自由渦，在270°CA較為顯著，此時(shí)，渦流室內(nèi)流場(chǎng)速度達(dá)到33m/s，連接通道內(nèi)的最大速度為50.8m/s.活塞運(yùn)行至330°CA時(shí)(噴油始點(diǎn)附近)，渦流更加明顯，此時(shí)左側(cè)的渦核隨著入流強(qiáng)度的增加不斷地向上和向中心移動(dòng)，并升至O點(diǎn)位置附近，因其角度過(guò)小導(dǎo)致連接通道總長(zhǎng)增大、通道總面積較大熱量損失較多，其貼近渦流室壁面的空氣流速約為93.2m/s.在上止點(diǎn)(TDC)附近，連接通道內(nèi)流速下降至32.0m/s，同時(shí)連接通道的左右兩側(cè)有兩個(gè)附渦，最大渦流速度分別為27.4m/s和22.9m/s.由于較小的傾角，渦流室內(nèi)滯留的低速氣流比較少，但是，過(guò)小的傾角不利于混合氣燃燒后膨脹壓縮返回主燃燒室的回流過(guò)程，此時(shí)，氣流沿逆時(shí)針?lè)较蚺c噴油嘴噴油方向一致，但通道內(nèi)混合氣流向切向沿順時(shí)針?lè)较?，氣流速度方向改變較大，不利于氣流順利進(jìn)入主燃燒室膨脹做功.

圖4 方案A渦流室內(nèi)渦流發(fā)展形態(tài)Fig.4 Vortex evolution in swirl chamber of scheme A

在方案 B中，對(duì)應(yīng)連接通道傾角為40°，如圖 5所示，在 270°CA 位置，渦流室內(nèi)靠近連接通道的右端部分形成了渦流，但不明顯.活塞運(yùn)行至330°CA時(shí)，才形成較明顯的渦流，O點(diǎn)偏下方位置形成渦核，此時(shí)最大渦流速度為44.8m/s，渦流形態(tài)與方案A相似.活塞運(yùn)行至上止點(diǎn)后，渦核平均矢量速度為19.0m/s.在整個(gè)壓縮過(guò)程中，B方案渦流形成的速度較慢，且渦流室內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較弱.

圖5 方案B渦流室內(nèi)渦流發(fā)展形態(tài)Fig.5 Vortex evolution in swirl chamber of scheme B

采用C方案(雙通道傾角為45°)，如圖6所示，活塞運(yùn)行至240°CA時(shí)，在連接通道與主燃燒室連接端邊緣附近開(kāi)始形成渦流，隨著活塞進(jìn)一步壓縮，渦流速度增大.在250°CA位置，右端渦流的位置開(kāi)始發(fā)生變化，同時(shí)渦核開(kāi)始向渦流室的中心移動(dòng)并且渦核逐漸變大.當(dāng)活塞運(yùn)行至270°CA時(shí)，渦核的位置已基本不再變化，渦流速度不斷增大，最大可達(dá) 47.7m/s.在 330°CA時(shí)，此時(shí)的渦流速度較方案A中高，且渦流尺度大，連接通道入口處渦流速度達(dá)到了峰值，渦核升至O點(diǎn)位置，此時(shí)O點(diǎn)附近速度達(dá)到了68.7m/s，但在此過(guò)程渦流運(yùn)動(dòng)形態(tài)受雙通道入流限制，此后連接通道的流速開(kāi)始下降，但渦流室內(nèi)渦核位置基本不變，直至上止點(diǎn)TDC附近，連接通道入流限制基本消失，此時(shí)渦流形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€(gè)流場(chǎng)的渦流運(yùn)動(dòng)，在上止點(diǎn)位置，O點(diǎn)位置最大線速度下降到50.1m/s，并且連接通道左右兩端的附渦的最大速度分別為30.8m/s和27.0m/s，相對(duì) A、B 方案而言，渦流室內(nèi)附渦強(qiáng)度相應(yīng)狀況明顯加大.

圖6 方案C渦流室內(nèi)渦流發(fā)展形態(tài)Fig.6 Vortex evolution in swirl chamber of scheme C

在D型渦流室中，如圖7所示，在270°CA時(shí)，連接通道的右端邊緣附近形成自由渦，隨著活塞的繼續(xù)向上移動(dòng)至300°CA時(shí)，左端渦流的位置開(kāi)始發(fā)生變化，同時(shí)渦核開(kāi)始向O點(diǎn)位置附近移動(dòng)并且渦核逐漸變大.在330°CA后渦流有所加強(qiáng)，最大渦流線速度達(dá)到峰值58.2m/s，O點(diǎn)位置最大達(dá)到25.1m/s，相比相應(yīng)狀況下的A型、B型和C型渦流效果較差.

圖7 方案D渦流室內(nèi)渦流發(fā)展形態(tài)Fig.7Vortex evolution in swirl chamber of scheme D

3 結(jié)論

(1)連接通道傾角對(duì)渦流室內(nèi)渦流發(fā)展形態(tài)具有重要影響.4種渦流室的渦流發(fā)展形態(tài)及過(guò)程相似，都是一開(kāi)始在連接通道的左側(cè)形成自由渦，隨著壓縮的繼續(xù)，渦流逐漸形成，渦核開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)，并最終穩(wěn)定在接近O點(diǎn)位置的高度.

(2)對(duì)于30°、45°安裝通道傾角的渦流室，300°CA之后渦核基本達(dá)到O點(diǎn)位置的高度，在330°CA附近開(kāi)始連接通道的左右兩邊出現(xiàn)了兩個(gè)附渦，渦流室內(nèi)渦流速度達(dá)到峰值.相同狀況下，40°、50°通道傾角時(shí)渦流運(yùn)動(dòng)形態(tài)的發(fā)展較30°、45°慢，渦核在330°CA才開(kāi)始接近O點(diǎn)位置的高度.

(3)對(duì)比4種鑲塊通道安裝傾角方案，鑲塊雙通道傾角為45°時(shí)渦流室在330°CA(噴油始點(diǎn)附近)對(duì)應(yīng)的渦流形態(tài)更穩(wěn)定，渦核更接近O點(diǎn)位置，且渦流矢量速度和渦流尺度更大，這提高噴射的燃油霧化混合效果是有利的.

［1］李德桃.動(dòng)力機(jī)械工作過(guò)程及其測(cè)試技術(shù)研究［M］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)出版社，2008:187-190.

［2］岡崎正夫.產(chǎn)業(yè)用小型ディーゼルエンジンの燃焼と排出ガス低減について［J］.2009，1(2):34-38.

［3］周龍保，劉忠長(zhǎng)，高宗英.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:129-130.

［4］廖世勇，嚴(yán)健，朱真，等.渦流室式柴油機(jī)新型連接通道的開(kāi)發(fā)研究［J］.小型內(nèi)燃機(jī)，1998，27(4):5-9.

［5］朱廣圣，林鈞毅，張?jiān)铝值?柴油機(jī)渦流室連接通道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其空氣流動(dòng)特性影響的研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，1998，19(1):52-57.

［6］唐智，熊銳，劉芳等.發(fā)動(dòng)機(jī)渦流室連接通道對(duì)空氣流場(chǎng)影響的模擬研究［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，26(3):42-45.

［7］Genichi Komatsu，Hiroyuki Uramach，i Yoshinobu Hosoka-wa，et al.Numerical Simulation of air Motion in the swirl chamber of a diesel engine(Effect of connecting port in air motion)［J］.JSME Internation Journal，1991，34(3):379-384.

［8］林育釗，顏長(zhǎng)虹.渦流室式柴油機(jī)燃燒室連接通道的研究［J］.武漢造船，1992，4(03):7-11.

［9］朱建新，胡章其，何文華.小缸徑柴油機(jī)渦流式燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)的試驗(yàn)研究［J］.柴油機(jī)，1992，2(03):20-23.