發(fā)動機(jī)不同氣門升程下氣道及缸內(nèi)流場分析

李孟

摘要 介紹了發(fā)動機(jī)螺旋進(jìn)氣道參數(shù)化設(shè)計的方法，使用Pro/E軟件建立了螺旋進(jìn)氣道的三維模型，實現(xiàn)了螺旋進(jìn)氣道在不同氣門升程下的參數(shù)化設(shè)計。應(yīng)用Star-CD分析軟件對螺旋進(jìn)氣道內(nèi)的氣體流動進(jìn)行數(shù)值模擬計算，得到不同氣門升程下氣道及缸內(nèi)流體的速度場和壓力場分布圖，計算出螺旋進(jìn)氣道的渦流比和流量系數(shù)，可以為螺旋進(jìn)氣道的改進(jìn)設(shè)計提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī)；螺旋進(jìn)氣道；參數(shù)化設(shè)計；數(shù)值模擬；Star-CD

引言

螺旋進(jìn)氣道對發(fā)動機(jī)的混合氣形成與燃燒等方面有著重要作用[1-2]。缸內(nèi)形成的氣體流動將直接影響混合氣的形成和發(fā)動機(jī)燃燒過程中火焰的傳播速度、燃燒的穩(wěn)定性[3]，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放水平[4]。通過數(shù)值模擬計算分析進(jìn)氣道的性能，可以直觀地了解氣體在進(jìn)氣道和缸內(nèi)的流動狀況，并對不同氣門升程下缸內(nèi)的氣流速度和壓力進(jìn)行了分析。

1 數(shù)學(xué)模型

湍流中的物質(zhì)擴(kuò)散受流體平均運動的對流和湍流擴(kuò)散兩個過程所控制，所用于預(yù)測的數(shù)學(xué)模型，必須正確地描述平均流場和湍動能擴(kuò)散的特征。本文主要對不同氣門升程下進(jìn)氣道和缸內(nèi)流場進(jìn)行分析，氣流進(jìn)入氣缸時可不考慮流體與外界的熱交換，因此其流體力學(xué)特性可以用連續(xù)性方程和動量守恒方程來描述[5]。

連續(xù)性方程

（1）

式中： ——時間； （j=1，2，3）——坐標(biāo)； ——氣體密度； ——氣流速度在三個坐標(biāo)上的分量。

動量守恒方程

（2）

式中：P——氣體壓力； ——作用在與 方向相垂直的平面上的 方向上的應(yīng)力；“—”——表示平均； ——重力加速度。

2 數(shù)值模擬計算

2.1 進(jìn)氣道和氣缸的三維模型建立及網(wǎng)格的劃分

采用Pro/E軟件作為螺旋進(jìn)氣道的參數(shù)化建模平臺，建立三維模型，然后用Star-CD對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約為50～60萬個，由圖1所示。計算網(wǎng)格的生成是發(fā)動機(jī)內(nèi)氣體流動數(shù)值模擬的重要組成部分，由于網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到迭代計算的穩(wěn)定性及計算結(jié)果的可靠性，因此網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣是影響數(shù)值模擬計算成功與否的關(guān)鍵因素。

圖1 計算網(wǎng)格模型

2.2 初始邊界條件的設(shè)置

將空氣視為不可壓縮理想氣體，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn) 模型。進(jìn)出口采用壓力邊界條件[6]，根據(jù)經(jīng)驗給定壓差為2500Pa，取出口處為參考點，該處相對壓力為0，絕對壓力98800Pa。入口邊界和出口邊界都設(shè)為Pressure。固定壁采用絕熱無滑移邊界條件；溫度壁面邊界采用定溫條件，溫度設(shè)定為298K。

2.3 求解參數(shù)

采用穩(wěn)態(tài)計算模式，差分格式選擇二階精度迎風(fēng)差分格式，最大迭代次數(shù)設(shè)為2000次，收斂標(biāo)準(zhǔn)都設(shè)為0.001，監(jiān)控點為氣缸底部中心網(wǎng)格，最后達(dá)到收斂并使計算結(jié)束。

3. 計算結(jié)果處理及分析

3.1 流場速度分析

圖2顯示出了氣門中心堅直截面在不同氣門升程下的速度場分布。從圖中可以看出，隨著氣門升程的增大，該截面的最大速度增大，分別是78.16m/s，123.9m/s，140.1m/s。在氣門盤和氣缸頂部下方產(chǎn)生的順時針回流也逐漸增大，這也是形成進(jìn)氣阻力的主要原因。由圖可知，氣門升程較小時，氣缸的上部形成的滾流不太明顯，當(dāng)氣門升程增大時，在該處就會形成明顯的滾流，這對于缸內(nèi)混合氣的形成是非常有利的。

圖2 不同氣門升程下的速度場分布

3.2 流場壓力分析

圖3顯示出了氣門中心堅直截面在不同氣門升程下的壓力場分布。從圖中可以看出，在進(jìn)氣道的入口部分是整個流場中壓力最大的部分，且壓力變化很小，隨著氣門升程的增大而增大。在氣道的螺旋部分，氣體壓力顯著下降，因此，螺旋部分是氣體壓力損失的主要區(qū)域。當(dāng)氣門升程較小時，整個流場的壓力損失主要集中在進(jìn)氣門出口附近，其損失主要是由氣門的阻礙作用引起的。此時缸內(nèi)氣流主要集中在氣缸壁附近，說明氣缸壁對氣流有導(dǎo)向作用。

圖3不同氣門升程下的壓力場分布

4 計算不同氣門升程下的渦流比和流量系數(shù)

通過Star-CD的宏命令計算出不同氣門升程下的渦流比，再通過公式計算出流量系數(shù)，由圖4所示。從圖中可知，隨著氣門升程的增大，渦流比和流量系數(shù)都逐漸增大。

流量系數(shù) 表示流過氣門座的實際空氣流量與理論空氣流量之比[7]。表達(dá)式如下：

（3）

式中： ——實際空氣流量， ； ——理論空氣流量， 。

圖4

結(jié) 論

應(yīng)用Star-CD對螺旋進(jìn)氣道不同氣門升程進(jìn)行數(shù)值模擬計算可以得出，隨著氣門升程的增大，在氣門中心豎直截面上的最大速度增大，而且最大速度出現(xiàn)的位置逐漸上移。隨著氣門升程的增大，過氣門中心豎直截面的最大壓力增大，且出現(xiàn)在氣道進(jìn)口處。隨著氣門升程的增大，進(jìn)氣道的渦流比和流量系數(shù)都逐漸增大。這表明通過數(shù)值模擬分析可以直觀地了解氣體在進(jìn)氣道和缸內(nèi)的流動狀況，并反映出在不同氣門升程下氣道及缸內(nèi)的氣流速度和壓力的分布規(guī)律，可以為螺旋進(jìn)氣道的改進(jìn)設(shè)計提供指導(dǎo)，且有助于發(fā)動機(jī)的前期設(shè)計與分析，大大縮短發(fā)動機(jī)的開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)

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[3] 韓君， 蘇鐵熊， 王家雄等. 發(fā)動機(jī)螺旋進(jìn)氣道的參數(shù)化設(shè)計及數(shù)值模擬.中北大學(xué)， 中國北方發(fā)動機(jī)研究所. 2011

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[5] 王志， 黃榮華. 螺旋進(jìn)氣道CAD/CFD優(yōu)化設(shè)計方法的研究. 小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車. 2003

[6] 陳可， 文代志， 張洪濤， 周雯蕓. 內(nèi)燃機(jī)不同氣門升程下氣缸內(nèi)流場分析. 廣西： 廣西工學(xué)院， 2011

[7] 韓運動.柴油機(jī)進(jìn)氣道CFD計算分析[D].大連：大連交通大學(xué)，2010