仿生非光滑表面對(duì)車用柴油機(jī)螺旋進(jìn)氣道流通特性的影響

隗海林，王海洲，倪偉新，陳運(yùn)峰，李 君

（1.吉林大學(xué) 交通學(xué)院，長(zhǎng)春130022；2.吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

進(jìn)氣過(guò)程是決定柴油機(jī)換氣質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要條件之一。在這一過(guò)程中，柴油機(jī)進(jìn)氣道的流通特性對(duì)氣缸內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)起著決定性作用，將直接影響燃料的霧化、混合和燃燒過(guò)程，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能等產(chǎn)生較大影響［1］。通常采用流量系數(shù)和渦流比來(lái)評(píng)價(jià)車用柴油機(jī)進(jìn)氣道的流通特性，本文研究主要針對(duì)一汽－大柴半開(kāi)式燃燒室車用柴油機(jī)。半開(kāi)式燃燒室需要較強(qiáng)的進(jìn)氣渦流。通過(guò)大量研究證明，進(jìn)氣道的流量系數(shù)和渦流強(qiáng)度一般呈現(xiàn)trade off關(guān)系，如何能在保證流量系數(shù)的前提下，提高進(jìn)氣道渦流強(qiáng)度是現(xiàn)階段研究的難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此的研究主要集中于調(diào)整進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和重新布局上，如螺旋進(jìn)氣道角度變化、雙進(jìn)氣道布置、可變進(jìn)氣管道設(shè)置、氣門(mén)及氣門(mén)座位置等［2－3］。

近十年，仿生非光滑表面的減粘降阻效應(yīng)日益被人們所重視。通過(guò)研究水中魚(yú)類和空中鳥(niǎo)類的體表發(fā)現(xiàn)了仿生非光滑表面在流體中具有減粘降阻的效用［4－6］。本文利用了仿生非光滑表面的減粘降阻效應(yīng)，并用CFD數(shù)值模擬方法驗(yàn)證了仿生非光滑表面對(duì)車用柴油機(jī)螺旋進(jìn)氣道流通特性的影響。

1 進(jìn)氣道流通特性評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

目前國(guó)內(nèi)外常用于評(píng)價(jià)柴油機(jī)進(jìn)氣道流通特性主要有Ricardo方法、FEV方法和AVL方法三種［7］。本文選擇Ricar do評(píng)價(jià)方法對(duì)仿生非光滑表面進(jìn)氣道的流通特性進(jìn)行測(cè)評(píng)。Ricardo方法采用定壓差法，將進(jìn)出口的壓力設(shè)定，保證一定的壓力差，并測(cè)量在不同氣門(mén)升程下氣缸內(nèi)的渦流比和流量系數(shù)。

（1）流量系數(shù)。流量系數(shù)指實(shí)際通進(jìn)氣道的空氣質(zhì)量流率與通過(guò)氣門(mén)座處的理論空氣速度與面積之積的比值，其計(jì)算公式為：

流量系數(shù)的平均值為：

式中：α1、α2分別為氣門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角。

（2）渦流比。渦流強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：ωR為葉片風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速；D為缸徑。

Ricar do定義的渦流比為模擬氣缸中渦流旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速之比。對(duì)于進(jìn)氣終了時(shí)氣缸內(nèi)的渦流比的預(yù)測(cè)常采用平均渦流比RS：

式中：LD為發(fā)動(dòng)機(jī)的形狀系數(shù)，LD＝DS／（nB2），S為活塞行程。

2 仿生非光滑單元體的提取

由于自然界中很多生物的非光滑體表可以產(chǎn)生良好的減粘降阻效果，但由于其結(jié)構(gòu)及外形較為復(fù)雜，并不能直接應(yīng)用到螺旋進(jìn)氣道的內(nèi)表面上。因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前需對(duì)圖形進(jìn)行處理，通過(guò)數(shù)學(xué)抽象方法對(duì)仿生非光滑單元體的形狀和尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)化。土壤生物蜣螂的頭部具有明顯的凹凸?fàn)睿鐖D1（a）所示［8］。鯊魚(yú)的溝槽狀鱗片（見(jiàn)圖1（b）［9］）使其減小了與水的阻力，文獻(xiàn)［10］中抽象出了其鱗片結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，信鴿的尾羽羽枝上的溝槽狀結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1（c））使其在空中更快地飛翔。蝴蝶的翅面形成的鱗片形態(tài)（見(jiàn)圖1（d）［11］），也減小了與空氣的阻力。

表1為目前仿生單元體在日常生活中的應(yīng)用情況及相關(guān)的減阻原理。通過(guò)分析上述生物所具有的非光滑體表，可以將常見(jiàn)的非光滑單元體概括抽象為凸包、凹坑和溝槽3大類。

表1 四種單元體的應(yīng)用、減阻原理及單元體選用尺寸Table 1 Application and Fricton reduction mechanism of f our kinds elements with the size of f our kinds non-smooth elements

圖1 四種生物的非光滑體表形態(tài)Fig.1 Non-smooth surf ace shapes of four kinds of creatures

本文中選用凸包、凹坑、U形溝槽和V型溝槽4種仿生非光滑單元體（如圖2所示）對(duì)柴油機(jī)螺旋進(jìn)氣道內(nèi)表面進(jìn)行處理。圖2中d表示單元體的寬度，h表示單元體的深度，論文中4種仿生非光滑單元體的深度h選擇0.5、1.0和1.5 mm，凹坑形和凸包形單元體寬度d選擇3、4和5 mm；V形溝槽單元體寬度d選擇1、2和3 mm；U形溝槽單元體寬度d選擇4、6和8 mm，如表1所示。

圖2 四種非光滑單元體Fig.2 Four kinds of non-smooth elements

3 柴油機(jī)進(jìn)氣道CFD數(shù)值模擬

3.1 進(jìn)氣道模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

本文采用的進(jìn)氣道原型來(lái)自于一汽－大柴的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，具體參數(shù)如表2所示。

表2 一汽－大柴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)Table 2 Parameter of FAW-disel engine

參考原進(jìn)氣道利用CATIA軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模，并在原模型的基礎(chǔ)上對(duì)內(nèi)表面進(jìn)行仿生非光滑單元體的創(chuàng)建。光滑表面進(jìn)氣道及仿生非光滑表面進(jìn)氣道創(chuàng)建完成后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文中選用Hyper mesh軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道模型的網(wǎng)格劃分?；谶M(jìn)氣道的復(fù)雜形態(tài)，選擇非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。仿生非光滑單元體為毫米級(jí)，為了使流場(chǎng)計(jì)算準(zhǔn)確，需要對(duì)進(jìn)氣道仿生非光滑單元體處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，網(wǎng)格生成時(shí)設(shè)置邊界層厚度為2 mm，最小網(wǎng)格尺寸選擇0.8 mm，模型的穩(wěn)壓箱［14］及氣缸部分網(wǎng)格可以相對(duì)較大些，最大網(wǎng)格尺寸選擇3 mm。圖3和圖4為原模型與穩(wěn)流試驗(yàn)CFD數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比。仿真試驗(yàn)獲得的流量系數(shù)和渦流比與穩(wěn)流試驗(yàn)獲得的值變化趨勢(shì)具有良好的一致性。

最終整個(gè)進(jìn)氣道的網(wǎng)格數(shù)目為80～120萬(wàn)。部分進(jìn)氣道模型及網(wǎng)格劃分如圖5所示。各分圖題中，前邊的尺寸表示單元體的寬度，后邊的尺寸表示單元體的深度。

圖3 流量系數(shù)模擬試驗(yàn)值與穩(wěn)流試驗(yàn)值對(duì)比Fig.3 Comparison of experimental value of flow coefficient si mulation and steady flow

圖4 渦流比模擬試驗(yàn)值與穩(wěn)流試驗(yàn)值對(duì)比Fig.4 Comparison of experi mental value of swirl ratio simulation and steady flow

圖5 四種仿生非光滑表面進(jìn)氣道網(wǎng)格模型Fig.5 Mesh models of bionic non-smooth surface Diesel intak port

3.2 柴油機(jī)進(jìn)氣道模型模擬計(jì)算

將氣門(mén)升程分別為6、8和10 mm的各個(gè)仿生非光滑表面進(jìn)氣道網(wǎng)格模型以.cas格式導(dǎo)入到FLUENT軟件中，選擇氣體流體控制方程，標(biāo)準(zhǔn)的k－ε方程作為湍流輸運(yùn)方程。對(duì)上述控制方程應(yīng)用有限容積法對(duì)其進(jìn)行離散，選擇二階迎風(fēng)離散格式；選用SI MPLE算法對(duì)控制方程進(jìn)行求解；邊界條件選擇進(jìn)口壓力和出口壓力，分別設(shè)置為99350 Pa和92850 Pa；壁面溫度設(shè)置為290 K；殘差精度設(shè)置為1×10－5，在1000步左右收斂，以氣門(mén)升程為10 mm，凸包寬度為5 mm，深度為1.5 mm的進(jìn)氣道模型收斂圖為例，其殘差圖如圖6所示。

圖6 凸包進(jìn)氣道殘差圖Fig.6 Residual plot of convexity element diesel intake port

本文按照Ricardo評(píng)價(jià)方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，進(jìn)氣道數(shù)值模擬完成后按照式（1）～（4）來(lái)求得渦流比和流量系數(shù)。

4 柴油機(jī)進(jìn)氣道模擬數(shù)據(jù)分析

4.1 凹坑形仿生非光滑表面進(jìn)氣道流通特性

凹坑形仿生非光滑表面進(jìn)氣道模型通過(guò)CFD數(shù)值模擬后計(jì)算流量系數(shù)和渦流比，部分模型的數(shù)值如表3所示。從表3可以看出：凹坑形仿生非光滑表面柴油機(jī)進(jìn)氣道流量系數(shù)較原光滑進(jìn)氣道減小，但減小的數(shù)值很小，氣門(mén)升程為10 mm和8 mm時(shí)，減小率在1%左右，氣門(mén)升程為6 mm時(shí)，減小率達(dá)到了4%～5%?？紤]到仿真試驗(yàn)存在一定誤差，減小率在誤差范圍之內(nèi)；凹坑形仿生非光滑表面柴油機(jī)進(jìn)氣道渦流比與原光滑進(jìn)氣道相比有很大增幅，平均增幅達(dá)到38%，在氣門(mén)大升程時(shí)，渦流比增幅小，氣門(mén)小升程時(shí)，渦流比增幅大；考慮到進(jìn)氣道流量系數(shù)和渦流比的trade off關(guān)系及實(shí)際匹配要求，可以認(rèn)為凹坑形單元體對(duì)進(jìn)氣道流通特性的改善有較大的促進(jìn)作用。

表3 凹坑形仿生非光滑表面進(jìn)氣道流量系數(shù)和渦流比Table 3 Flow coefficient and swirl ratio of partial intake port models with pit bionic non-smooth surface

4.2 凸包形仿生非光滑表面進(jìn)氣道流通特性

凸包形仿生非光滑表面進(jìn)氣道模型通過(guò)CFD數(shù)值模擬后計(jì)算流量系數(shù)和渦流比，部分模型的數(shù)值如表4所示。從表4可以看出：凸包形仿生非光滑表面柴油機(jī)進(jìn)氣道流量系數(shù)較原光滑進(jìn)氣道減小，減小率比凹坑形進(jìn)氣道數(shù)值大，氣門(mén)升程為10 mm時(shí)，平均減小率為2.05%，氣門(mén)升程為8 mm時(shí)，平均減小率為3.06%；氣門(mén)升程為6 mm時(shí)，平均減小率為7.35%。氣門(mén)大升程時(shí)，減小率在試驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，氣門(mén)小升程時(shí)非光滑表面對(duì)進(jìn)氣流量系數(shù)有抑制作用。凸包形仿生非光滑表面柴油機(jī)進(jìn)氣道渦流比與原光滑進(jìn)氣道相比有大增幅，但增幅要小于凹坑形非光滑進(jìn)氣道，平均增幅為15.81%，考慮到流量系數(shù)和渦流比的trade off關(guān)系及實(shí)際匹配要求，可以認(rèn)為凸包形單元體對(duì)進(jìn)氣道流通特性的改善有一定的促進(jìn)作用。

表4 凸包形仿生非光滑表面進(jìn)氣道流量系數(shù)和渦流比Table 4 Flow coefficient and swirl ratio of partial intake port models with convexity bionic non-smooth surface

4.3 U形溝槽仿生非光滑表面進(jìn)氣道流通特性

U形溝槽仿生非光滑表面進(jìn)氣道模型通過(guò)CFD數(shù)值模擬后計(jì)算流量系數(shù)和渦流比，部分模型的數(shù)值如表5所示。

表5 U形溝槽仿生非光滑表面進(jìn)氣道流量系數(shù)和渦流比Table 5 Flow coefficient and swirl ratio of partial intake port models with U shape groove bionic non-smooth surface

從表5可以看出：U形溝槽仿生非光滑表面柴油機(jī)進(jìn)氣道流量系數(shù)較原光滑進(jìn)氣道減小，但數(shù)值變化不大，氣門(mén)升程為10 mm和8 mm時(shí)減小率為1%左右，氣門(mén)升程為6 mm時(shí)，減小率為5%左右，可以認(rèn)為大氣門(mén)升程時(shí)U形溝槽單元體對(duì)進(jìn)氣道流量系數(shù)影響小，小氣門(mén)升程時(shí)影響較大。U形溝槽仿生非光滑表面柴油機(jī)進(jìn)氣道渦流比與原光滑進(jìn)氣道相比有較大增幅，個(gè)別模型渦流比有所減小，可能與所選U形溝槽單元體的尺寸有關(guān)。其平均增大量為16.74%，考慮到流量系數(shù)和渦流比的trade off關(guān)系及實(shí)際匹配要求，可以認(rèn)為U形溝槽單元體對(duì)進(jìn)氣道流通特性有一定的促進(jìn)作用。

4.4 V形溝槽仿生非光滑表面進(jìn)氣道流通特性

V形溝槽仿生非光滑表面進(jìn)氣道模型通過(guò)數(shù)值模擬后輸出流量系數(shù)和渦流比，部分模型的數(shù)值如表6所示。從表6可以看出：V形溝槽仿生非光滑表面柴油機(jī)進(jìn)氣道流量系數(shù)較原光滑進(jìn)氣道既有增加，也有減小，且數(shù)值不是很確定。氣門(mén)升程為10 mm和8 mm時(shí)，V形溝槽仿生非光滑進(jìn)氣道的流量系數(shù)都增加，平均增幅為2.76%和1.94%；氣門(mén)升程為6 mm時(shí)，流量系數(shù)減小，平均減小率為2.83%左右；無(wú)論增加還是減小，其數(shù)值變化范圍很小，考慮到仿真試驗(yàn)存在誤差，將其歸到誤差范圍之內(nèi)。V形溝槽仿生非光滑表面柴油機(jī)進(jìn)氣道渦流比與原光滑進(jìn)氣道相比有較大增幅，個(gè)別模型有所減小，可能與所選V形溝槽單元體尺寸有關(guān)。其平均增幅為14.66%，考慮到流量系數(shù)和渦流比的trade off關(guān)系及實(shí)際匹配要求，可以認(rèn)為V形溝槽單元體對(duì)進(jìn)氣道流通特性有較大的促進(jìn)作用。

表6 V形溝槽仿生非光滑表面進(jìn)氣道流量系數(shù)和渦流比Table 6 Flow coefficient and swirl ratio of partial intake port models with V shape groove bionic non-smooth surface

5 結(jié) 論

（1）仿生非光滑表面對(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣道流量系數(shù)的影響較小；無(wú)論促進(jìn)作用或抑制作用，數(shù)值變化都較小。

（2）仿生非光滑表面對(duì)進(jìn)氣道渦流比的影響較大，且氣門(mén)升程越小影響越大。

（3）結(jié)合進(jìn)氣道流量系數(shù)和渦流比的trade off關(guān)系，考慮到進(jìn)氣道實(shí)際匹配過(guò)程中的要求，可以認(rèn)為仿生非光滑表面對(duì)進(jìn)氣道的流通特性有一定的促進(jìn)作用。

（4）在所選尺寸的非光滑單元進(jìn)氣道模型中，凹坑4 mm-1.0 mm，凸包4 mm-1.0 mm，U形溝槽6 mm-1.5 mm，V形溝槽2 mm-0.5 mm模型可以顯著地提高氣道模型的渦流比，但有一些進(jìn)氣道模型使渦流比降低，因此單元體尺寸的大小對(duì)進(jìn)氣道流通特性起到?jīng)Q定作用。

（5）在所選的4種仿生非光滑單元體中，促進(jìn)進(jìn)氣道渦流比的形成而且作用較為顯著的是凹坑形單元體，其次是凸包形，再次是U形溝槽，而V形溝槽對(duì)渦流比的促進(jìn)作用最小。

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