多缸柴油機(jī)進(jìn)氣歧管的仿真計(jì)算與試驗(yàn)研究

錢多德， 楊躍濱， 錢葉劍， 曹文霞， 錢德猛

（1.安徽江淮汽車股份有限公司 技術(shù)中心，安徽 合肥 230601；2.天津內(nèi)燃機(jī)研究所，天津 300072；3.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；4.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 合肥 231603）

0 引 言

現(xiàn)代柴油機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)提升現(xiàn)有機(jī)型的工作能力扮演著重要角色，其中進(jìn)氣歧管的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)整機(jī)性能提升效果顯著。多缸柴油機(jī)進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣效率和進(jìn)氣均勻性對(duì)整機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能具有重要影響。在燃油噴射參數(shù)保持不變的條件下，各缸進(jìn)氣不均勻性造成燃燒不均勻，進(jìn)氣量多的氣缸導(dǎo)致最高燃燒壓力大，進(jìn)氣量少的氣缸導(dǎo)致排溫高，并且各缸排放也不相同［1］。在某款發(fā)動(dòng)機(jī)性能提升過程中，需要對(duì)進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

本文利用三維流體分析軟件FIRE對(duì)原機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)行計(jì)算，得到歧管內(nèi)詳細(xì)的流場(chǎng)信息，分析得到需要改進(jìn)的不合理結(jié)構(gòu)，并且利用氣道穩(wěn)流試驗(yàn)進(jìn)行了模型驗(yàn)證。根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)氣歧管，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的進(jìn)氣歧管進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)比優(yōu)化前后的流場(chǎng)信息，比較分析2種進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣差異。

1 理論基礎(chǔ)及研究對(duì)象

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）是通過三維模擬計(jì)算和圖像后處理，對(duì)流體的流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等物理現(xiàn)象做出全面系統(tǒng)的分析，它可以獲得詳細(xì)的流場(chǎng)信息，進(jìn)而減少設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的盲目性，縮短開發(fā)周期［2］。

氣體經(jīng)過進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣道時(shí)，存在著渦旋、二次流等復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，是三維可壓縮黏性流動(dòng)［3］。對(duì)進(jìn)氣歧管進(jìn)行三維流動(dòng)模擬最重要的是對(duì)湍流的模擬，從而找到進(jìn)氣歧管內(nèi)存在渦旋、二次流的不合理結(jié)構(gòu)，為優(yōu)化進(jìn)氣歧管提供依據(jù)。結(jié)合進(jìn)氣歧管內(nèi)渦流比不大的特點(diǎn)，選用k－ε雙方程模型來模擬湍流流動(dòng)，該模型屬于渦黏性－耗散模型，對(duì)湍流的模擬基于Boussinesp假設(shè)，隱含湍流是各相同性的。它具有計(jì)算穩(wěn)定性高，對(duì)計(jì)算資源要求低的特點(diǎn)。在近壁面區(qū)，由于高雷諾數(shù)k－ε雙方程模型不再適用，需要使用壁面函數(shù)來對(duì)分子黏性效應(yīng)和壁面?zhèn)鳠徇M(jìn)行描述。本文采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)［4］。

本文以某增壓中冷四缸柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣歧管為研究對(duì)象，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算與試驗(yàn)分析。在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中，為了分析不同缸進(jìn)氣時(shí)歧管內(nèi)的流場(chǎng)分布，對(duì)4缸分別建模計(jì)算。每缸計(jì)算的進(jìn)出口邊界設(shè)置保持一致，將計(jì)算缸的出口設(shè)置成出口邊界，其余各缸的出口設(shè)置為壁面邊界。

2 CFD計(jì)算描述與結(jié)果分析

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

在PROE軟件內(nèi)，抽取進(jìn)氣彎管、進(jìn)氣歧管和氣缸蓋等零件三維圖的內(nèi)腔表面，獲得進(jìn)氣歧管CFD計(jì)算的幾何表面模型，包括進(jìn)氣彎管、進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣道流體域。該計(jì)算不考慮進(jìn)氣道的進(jìn)氣能力，因此在模型中不考慮進(jìn)氣門，即在進(jìn)氣道完全暢通的情況下考慮進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣能力和進(jìn)氣均勻性。為避免回流，保證計(jì)算穩(wěn)定收斂，在進(jìn)出口分別添加穩(wěn)壓箱和缸筒［5］。模型如圖1所示。

圖1 原機(jī)進(jìn)氣歧管模型

使用FIRE前處理中的自動(dòng)劃分網(wǎng)格工具FAME生成以六面體為主的計(jì)算網(wǎng)格?？紤]到壁面附近的邊界層影響，在壁面上生成一層邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為403072。

2.2 邊界條件及求解參數(shù)的設(shè)置

本文計(jì)算區(qū)域的邊界條件包括進(jìn)出口的壓力邊界和固定壁面邊界。根據(jù)穩(wěn)流試驗(yàn)的狀態(tài)與環(huán)境參數(shù)，設(shè)置進(jìn)口邊界總壓為100kPa，溫度為293K，湍動(dòng)能為1m2／s2，湍流長(zhǎng)度為0.001m。設(shè)置出口邊界靜壓為96kPa。該計(jì)算只考慮空氣的流動(dòng)特性，不探討其傳熱特性，認(rèn)為整個(gè)流動(dòng)過程為等溫過程，空氣內(nèi)能在工作中沒有變化［6］，因此將固定壁面邊界設(shè)定為絕熱、無滑移。

動(dòng)量方程采用具有2階精度的MINMOD Relaxed差分格式，Blending factor取值為1；連續(xù)性方程和湍流方程采用具有2階精度的Central Differencing格式，Blending factor取值［7］分別為1和0.5。

收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置壓力殘差、動(dòng)量殘差和湍動(dòng)能殘差均小于0.001。計(jì)算結(jié)束收斂。

2.3 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

在氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)帶進(jìn)氣歧管缸蓋進(jìn)行氣體流動(dòng)穩(wěn)流試驗(yàn)。臺(tái)架工作圖如圖2所示。

圖2 缸蓋穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)架工作圖

模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表1和表2所列。

表1 各缸流量系數(shù)的模擬值與試驗(yàn)值

表2 各缸質(zhì)量流量的模擬值與試驗(yàn)值 kg／s

由表1、表2可以看出，模擬值與試驗(yàn)值具有相同的趨勢(shì)。即1缸和4缸的流量系數(shù)與質(zhì)量流量比2缸和3缸偏低。這是由于1缸和4缸距離進(jìn)氣歧管入口段遠(yuǎn)，完全經(jīng)過進(jìn)氣歧管中的螺栓避讓空間，從而沿程損失和阻力損失均較大造成的。

同時(shí)，模擬值與試驗(yàn)值存在一定偏差。造成這一現(xiàn)象的原因包括計(jì)算模型與實(shí)際試驗(yàn)的區(qū)別、湍流模型的精度［8］、進(jìn)氣歧管和缸蓋制造誤差以及試驗(yàn)的測(cè)量精度等。但總體上，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)具有較高的一致性，從而驗(yàn)證了上述模擬分析的準(zhǔn)確性。

由表2中模擬值，利用E＝（Qmax－Qmin）／Qmean計(jì)算最大進(jìn)氣不均勻度［9］。其中，Qmax為各缸中的最大質(zhì)量流量；Qmin為各缸中的最小質(zhì)量流量；Qmean為4缸平均質(zhì)量流量。由此式計(jì)算得到原機(jī)進(jìn)氣歧管最大進(jìn)氣不均勻度為5.35%。

2.4 CFD結(jié)果分析

本文計(jì)算重點(diǎn)關(guān)注進(jìn)氣歧管內(nèi)的流場(chǎng)變化，因此只對(duì)進(jìn)氣歧管進(jìn)行CFD流場(chǎng)分析。

進(jìn)氣歧管內(nèi)壓力場(chǎng)分布如圖3所示。由圖3可知，1缸和4缸進(jìn)氣時(shí)，存在明顯的壓力損失區(qū)域。該區(qū)域主要是入口段與容積腔連接的過渡段和歧管螺栓安裝避讓空間，阻礙了氣體進(jìn)入氣缸的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致進(jìn)入1缸和4缸的空氣量減少，影響到燃燒過程。相反2缸和3缸進(jìn)氣道入口距離歧管入口段近，不存在明顯的阻礙作用，氣流運(yùn)動(dòng)比較順暢。這就解釋了進(jìn)氣歧管1缸和4缸相比于2缸和3缸，流量系數(shù)和質(zhì)量流量偏低的現(xiàn)象。

圖3 原機(jī)進(jìn)氣歧管1缸～4缸壓力場(chǎng)分布

進(jìn)氣歧管內(nèi)湍動(dòng)能場(chǎng)分布如圖4所示。

圖4 原機(jī)進(jìn)氣歧管1缸～4缸湍動(dòng)能場(chǎng)分布

由圖4可以看出，該進(jìn)氣歧管在1缸和4缸進(jìn)氣時(shí)的湍動(dòng)能大，表明在該區(qū)域存在渦旋。

進(jìn)氣歧管內(nèi)渦旋現(xiàn)象的產(chǎn)生、維持與發(fā)展需要通過動(dòng)量交換從容積腔主流氣體中得到能量供應(yīng)。這種渦旋內(nèi)部、渦旋與歧管壁面之間或渦旋間的摩擦都要消耗能量，變成熱能和聲能，造成渦旋局部損失，不利于氣體的流動(dòng)［10］。

3 優(yōu)化方案與CFD結(jié)果分析

根據(jù)原機(jī)進(jìn)氣歧管的CFD分析結(jié)果，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化前后的進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖5所示。實(shí)體模型表示原機(jī)進(jìn)氣歧管，實(shí)線部分表示優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管輪廓。主要是增大了進(jìn)氣歧管入口段與容積腔的過渡圓弧半徑和容積腔體積，保證氣體可以光順地流經(jīng)進(jìn)氣歧管。

圖5 優(yōu)化前后進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

對(duì)優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管進(jìn)行CFD計(jì)算，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 優(yōu)化后進(jìn)氣歧管1缸～4缸壓力場(chǎng)分布

圖7 優(yōu)化進(jìn)氣歧管1缸～4缸湍動(dòng)能場(chǎng)分布

從圖6和圖7可以看出，改進(jìn)后的進(jìn)氣歧管有效地改善了原機(jī)進(jìn)氣歧管1缸和4缸進(jìn)氣時(shí)存在的局部阻力損失和渦旋現(xiàn)象，有利于提高充氣效率與進(jìn)氣均勻性。

進(jìn)氣歧管的模擬結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果對(duì)比見表3、表4所列。由表3、表4可以看出，優(yōu)化方案與原機(jī)方案相比，1缸和4缸流量系數(shù)均得到提高，2缸和3缸略微降低。整體而言，進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣能力得到改善。

由計(jì)算得出優(yōu)化歧管最大進(jìn)氣不均勻度為3.60%，優(yōu)化歧管最大進(jìn)氣不均勻度與原機(jī)相比有所降低。

表3 各缸流量系數(shù)的模擬值與優(yōu)化值

表4 各缸質(zhì)量流量的模擬值與優(yōu)化值 kg／s

4 結(jié) 論

（1）增大入口段與容積腔過渡段圓弧半徑，增大容積腔容積，使得進(jìn)氣歧管的最大進(jìn)氣不均勻度由5.35%下降到3.60%，改善了原機(jī)進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣能力與進(jìn)氣均勻性。

（2）采用進(jìn)氣歧管CFD三維數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)進(jìn)氣歧管進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)合缸蓋氣體穩(wěn)流試驗(yàn)，可以大幅度地縮短進(jìn)氣歧管的開發(fā)設(shè)計(jì)周期，有效提高工作效率，為現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中進(jìn)氣歧管的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種有效模式。

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