發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道流通特性的計算分析*

焦運景　史春濤　袁章平（1-天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院天津000722-上海柴油機(jī)股份有限公司-天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所-浙江春風(fēng)動力股份有限公司）

發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道流通特性的計算分析*

焦運景1，2史春濤3袁章平4
（1-天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院天津3000722-上海柴油機(jī)股份有限公司3-天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所4-浙江春風(fēng)動力股份有限公司）

對某排量250 mL的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行數(shù)值計算，首先結(jié)合試驗與計算，驗證了計算模型的可靠性。通過數(shù)值計算，得到了進(jìn)氣道在不同氣門升程時的流量系數(shù)，一方面為發(fā)動機(jī)的熱力計算提供了邊界條件，另一方面還可以直觀再現(xiàn)試驗中難以獲取的流場現(xiàn)象。分別從流場的速度分布、壓力分布及湍流動能分布幾個方面分析了氣道的流動特性。通過分析得知，進(jìn)氣入口處氣門的形狀以及氣道的切向角度都是影響氣道流通特性關(guān)鍵因素。最后提出合理的優(yōu)化建議，為氣道的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)。

進(jìn)氣道數(shù)值模擬湍動能氣體流動

引言

進(jìn)氣道性能優(yōu)劣是影響發(fā)動機(jī)性能的重要因素，特別是進(jìn)氣道流通性的優(yōu)劣直接對發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放產(chǎn)生影響［1］。本研究應(yīng)用AVL公司的FIRE軟件對某型排量250 mL的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行數(shù)值模擬計算，通過計算，得出不同氣門升程下的流量系數(shù)及缸內(nèi)流場情況，通過不同氣門升程下的流量系數(shù)及缸內(nèi)流場情況對該氣道的流通特性進(jìn)行了分析。

1　幾何模型的建立與網(wǎng)格劃分

該項目的氣道幾何模型首先用UG7.5進(jìn)行進(jìn)氣道模型的造型，如圖1 a）所示，網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達(dá)形式，也是模擬與分析的載體。本項目中分別對1 mm、1.5 mm、3 mm、5 mm、7 mm的5個升程的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分在AVL-FIRE自帶的FAME中進(jìn)行［2-3］。FAME軟件對氣道部分的處理采用六面體與四面體混合網(wǎng)格，而氣道前部的穩(wěn)壓箱與氣缸所用網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，由于氣門附近的流場比較復(fù)雜，因此對氣門附近部分的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)劃，網(wǎng)格劃分的最大尺寸為5 mm，最小尺寸為0.125 mm?？偩W(wǎng)格數(shù)大約為50萬，如圖1 b）所示。

圖1　氣道幾何模型及網(wǎng)格劃分

2　計算模型、計算方法及邊界條件設(shè)置

2.1計算模型及計算方法

將氣道內(nèi)的氣體視為三維可壓縮粘性流體，采用質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和k-ε湍流模型來建立氣道內(nèi)流動數(shù)學(xué)模型，湍流模型就是把湍流的脈動值附加項與時均值聯(lián)系起來的一些特定關(guān)系式。具體方程如公式（1）～公式（4）。

2.1.1連續(xù)性方程

式中，t為時間，xj（j=1，2，3）為坐標(biāo)，ρ為密度，uj為氣流速度在三個坐標(biāo)上的分量。

2.1.2動量守恒方程

式中，p為氣體壓力，τij為作用在與i方向垂直的平面j上的應(yīng)力，g為重力加速度，u′為湍流脈動速度，“-”表示平均。

2.1.3湍流能量輸運方程

2.1.4湍流能量耗散方程

k-ε模型是在湍流的工程計算中應(yīng)用最為廣泛的湍流模型［4］。k-ε模型中的系數(shù)取值如表1所示。

表1　k-ε模型中的系數(shù)

在本項目的研究過程中，采用有限容積法（FVM）對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散，用MINIMOD插值格式建立動量方程代數(shù)方程，用中心差分格式對質(zhì)量守恒方程和湍流方程建立離散方程組，采用SIMPLE算法求解壓力-速度耦合。

2.2邊界條件設(shè)置

使用AVL-FIRE的CFD求解器對上述計算網(wǎng)格求解，計算區(qū)域的邊界包括入口邊界和出口邊界，進(jìn)口邊界條件設(shè)在穩(wěn)壓箱的進(jìn)口平面，出口邊界條件設(shè)在氣缸的下平面，入口邊界和出口邊界均使用壓力邊界，入口壓力邊界給定總壓入口，出口給定為靜壓出口值。進(jìn)、出口進(jìn)行定壓差設(shè)置，小升程時氣道進(jìn)口與氣缸出口的壓差為6.5 kPa，大中升程時壓差為2.5 kPa。流體設(shè)為具有可壓縮性的流體。

2.3判定計算結(jié)束的原則

何時計算結(jié)束是保證結(jié)果可信的關(guān)鍵，通常的作法是根據(jù)經(jīng)驗給定收斂準(zhǔn)則，計算收斂時即認(rèn)為計算結(jié)束。在本文的計算過程中，對計算收斂的判定是根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)殘差來確定。最小循環(huán)次數(shù)為3次，最大循環(huán)次數(shù)為4 000次，當(dāng)壓力、動量及湍動能的殘差值達(dá)到10e-4時，判定其收斂。

3　計算結(jié)果及分析

3.1平均流量系數(shù)

平均流量系數(shù)的計算公式如式（5）、（6）所示。

式中，m：實際質(zhì)量流量；mtheory：理論質(zhì)量流量

式中，ρ：為氣缸內(nèi)氣體密度.ρm：進(jìn)口與出口的平均密度

式中，c（α）：對應(yīng)于曲軸轉(zhuǎn)角α的瞬時活塞速度，m/s

cm：平均活塞速度，m/s

3.2計算結(jié)果

3.2.1二維計算結(jié)果

不同氣門升程下的流量系數(shù)計算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著氣門升程的增加，流量系數(shù)增大，當(dāng)氣門升程增大到一定值時，流量系數(shù)的上升幅度變緩，這與文獻(xiàn)［5］的試驗和文獻(xiàn)［6］的計算結(jié)果一致。

圖2　不同氣門升程下的流量系數(shù)

3.2.2三維計算結(jié)果

為了進(jìn)一步研究不同氣門升程時的流場情況，分別對最大升程、最小升程和中間升程的三維模擬計算結(jié)果取不同的切片圖進(jìn)行分析，取切片圖所參照的坐標(biāo)如圖3所示。

圖3　切片圖所參照的坐標(biāo)（縱向為Z軸，左側(cè)圖水平方向為Y軸）

圖4為不同進(jìn)氣升程時的氣道及缸內(nèi)流場速度在X方向切片圖，圖中深淺不同的顏色代表流動速度的大小。由圖4可知，缸內(nèi)的最大氣流速度出現(xiàn)在氣門喉口處，升程為1 mm時，最大速度值為170.98 m/s，隨著升程的增大，最大速度值有所降低。在小升程時，氣流進(jìn)入缸內(nèi)，存在撞壁現(xiàn)象，這會影響其流通特性。隨著氣門升程的增大，X方向切片圖的流場強(qiáng)度增大，缸內(nèi)氣流形成的渦旋形狀隨著氣門升程的變化而有所變化，這主要是由于小升程時，流動方向受氣閥結(jié)構(gòu)的影響較大，而隨著氣門升程的增大，氣閥結(jié)構(gòu)對氣體流入的導(dǎo)向作用減小。圖5為不同升程不同截面下的Z向切片圖，由圖可以看出，隨著距離頂平面的距離增大，缸內(nèi)形成兩個明顯的逆向渦流。流動速度隨著距離頂面的距離增大而減小。

圖4　不同升程時的氣道及缸內(nèi)流場速度圖及其局部放大圖（X向切片，x=15 mm）

圖6和圖7分別為不同升程時的湍動能圖。由圖可以看出，中小升程時，氣門喉口處因其流速相對較高，因而最大湍動能出現(xiàn)在喉口處。在大的氣門升程下，X切片中，湍動能最大值由氣門喉口處開始向氣門桿處轉(zhuǎn)移；Y切片下，小升程時，最大湍流速度出現(xiàn)在進(jìn)氣門入口處，隨著氣門升程的增大，缸內(nèi)最大湍流出現(xiàn)在兩氣門交匯處，如圖7中所示A處。

圖5　不同升程不同截面下的Z向速度切片圖

圖6　不同升程時的氣道及缸內(nèi)湍動能圖及其局部放大圖（X向切片，X=15 mm）

圖7不同升程時的氣道及缸內(nèi)湍動能圖及其局部放大圖（Y向切片，Y=18 mm）

圖8為不同升程不同截面下的Z向湍動能切片圖，由圖可以看出，在小升程下，氣道湍動能最大的區(qū)域基本都集中在氣門入口處，是切向氣流的一部分碰壁產(chǎn)生的。而其它區(qū)域的氣道動能交換并不是很強(qiáng)烈。隨著氣門升程的增大，缸內(nèi)同一位置的湍流動能增大；在同一氣門升程下，隨著切片截面距離活缸蓋底面的距離增大，缸內(nèi)最大湍流動能位置出現(xiàn)轉(zhuǎn)移，由圖8可以看出，在最大升程7 mm時，在缸筒中間位置時，湍流動能的最大值出現(xiàn)在氣缸中部。

圖8　不同升程不同截面下的Z向湍動能切片圖

圖9、圖10為不同升程時的氣道及缸內(nèi)壓力等值線圖，由圖可知，小氣門升程時，壓力等值線圖規(guī)律性略差，隨著氣門升程的增大，壓力等值線圖出現(xiàn)對稱現(xiàn)象。由圖9的等值線圖可以看出，不同升程下的氣道位置B處均存在一個高壓，此處高壓的存在會影響氣流的通暢性。

圖9　不同升程時的氣道及缸內(nèi)壓力等值線圖及其局部放大圖（X向切片，X=15 mm）

圖10　不同升程時的氣道及缸內(nèi)壓力等值線圖（Y向切片，Y=18 mm）

圖11為在缸筒的葉輪放置處的截面切片圖，對此位置的流場、湍動能及壓力在不同升程下進(jìn)行了比較。由圖中可以看出，升程為7 mm時的流場較為對稱，存在兩個逆向渦旋；在升程為1 mm和3 mm時，該截面處除了存在兩個逆向渦旋外，在進(jìn)氣門側(cè)還存在小的渦旋，因其擾動小渦旋的存在，可以看到其進(jìn)氣門側(cè)的湍動能也較大。缸內(nèi)壓力等值線圖中，小升程時，壓力不平穩(wěn)，對稱性略差。中大升程時，從圖中可以看出，該截面處其壓力對稱良好。

圖11　不同升程下葉輪截面的流場及湍動能切片圖（z=-126 mm）

4　結(jié)論

本研究應(yīng)用FIRE軟件對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道進(jìn)行了數(shù)值模擬計算，通過計算，得到了進(jìn)氣道在不同氣門升程時的流量系數(shù)。一方面為發(fā)動機(jī)的熱力計算提供了邊界條件，另一方面還可以直觀再現(xiàn)試驗中難以獲取的流場現(xiàn)象，并對其進(jìn)行了分析。通過分析得知，影響氣道流通性的因素有很多，進(jìn)氣入口處氣門的形狀以及氣道的切向角度都是關(guān)鍵因素。本研究中發(fā)現(xiàn)，一方面在圖9中氣道的B處存在局部高壓；另一方面，小升程時氣門頭部倒角及氣門閥座形狀對進(jìn)氣流動有較大影響。要提高該氣道的流量系數(shù)，一方面需要盡量降低在氣門入口處的氣流撞壁現(xiàn)象，另一方面需通過改進(jìn)氣道形狀，盡量克服氣道內(nèi)的局部高壓現(xiàn)象。

1Chang-sik Lee，Ki-hyung Lee.Investigation of in-cylinder flow patterns in 4 valve S.I.engine by using single-frame particle tracking velocimetry［J］.KSME International Journal，2001，15（1）:108-116

2Fire_v8.5_FAME_Grid Generation.

3Laimbock Franz J，Gerhard Meister，Simon Grilc.CFD application in compact engine development［J］.SAE Transactions，1998，107（3）:1998-2044

4Fuchs T R，Rutland C J.Intake flow effects on combustion and emissions in a diesel engine［J］.SAE Transactions，1998， 107（3）:566-581

5Xiang-Rong Li，Lu-Ming Zhao，F(xiàn)u-Shui Liu，et al.Study on characteristics of intake port on supercharged diesel engine［C］.2012 Inter-national Conference on Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring，Hunan

6Ren Hongjuan，Ma Qihua，Zheng Xiajun.Numerical simulation of gas flow in a gasoline engine under different valve lifts［C］.2011 Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation，713-716

Numerical Simulation of Flow Characteristics of Engine′s Intake Port

Jiao Yunjing1，2，Shi Chuntao3，Yuan Zhangping4
1-Mechanical Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）；2-Shanghai Diesel Engine Co.Ltd；3-Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute；4-Zhejiang Chunfeng Power Co.，Ltd.

A numerical calculation of engine's intake is conducted.At first，connected the experiment and simulation，the reliability of model is proved.Through the simulation，the flow coefficients in different valve lift are gotten.In the one hand，it gives the boundary conditions for thermal calculation；in the other hand，the flow field which is difficult to watch in experiment can be watched directly.Then，the flow characteristic is analyzed from several aspects of flow field，such as velocity，pressure and turbulent kinetic energy. Through the analysis，a conclusion is learned that the shape of inlet valve and the tangential angle of intake are more important to the flow characteristic.At last，two reasonable suggestions are presented and the study provides a theoretic basis for further intake port optimizing design.

Intake，Numerical simulation，Turbulent kinetic energy，F(xiàn)low field

TK413.4

A

2095-8234（2015）04-0049-07

2015-04-14）

上海市博士后科研資助計劃資助，項目編號：14R21420600。

焦運景（1971-），女，博士，主要研究方向為內(nèi)燃機(jī)工作過程與排放控制。