柴油機螺旋進氣道三維數(shù)值模擬及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張慶才， 高超， 王仁人

(齊魯工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院， 山東 濟南 250353)

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柴油機螺旋進氣道三維數(shù)值模擬及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

張慶才， 高超， 王仁人

(齊魯工業(yè)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院， 山東 濟南 250353)

以計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)理論為基礎(chǔ)，利用三維數(shù)值模擬軟件AVL-Fire分析新型6160船用柴油機螺旋進氣道，得到缸內(nèi)的流量系數(shù)、渦流比以及流場特性云圖。通過三維建模軟件CATIA將原氣道不足之處改進優(yōu)化，對改進后的螺旋進氣道進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模擬分析與評價，結(jié)果表明：優(yōu)化后的螺旋氣道進氣性能提高15%左右，渦流產(chǎn)生能力提高20%左右。

計算流體動力學(xué)； 螺旋進氣道； 數(shù)值模擬； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

柴油機在進氣時，進入氣缸的混合氣體的質(zhì)量和混合程度，氣體的速度分布及渦流、滾流狀況都會不同程度地影響燃燒過程，從而直接影響功率、油耗、扭矩、噪聲、穩(wěn)定性和排放等，因此，進氣道設(shè)計的質(zhì)量關(guān)系到整機的性能水平。螺旋進氣道形狀復(fù)雜，曲面不規(guī)則，對進氣影響最大，是進氣道設(shè)計的難點。對進氣道進行評價,決定著進氣道的開發(fā)工作,進而決定著新機型開發(fā)和舊機型改進的成敗。

對于傳統(tǒng)的螺旋進氣道開發(fā)設(shè)計，首先根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計原型，然后將設(shè)計好的原型反復(fù)試驗，這種方法非常耗時，需要大量的人力財力，結(jié)果也容易受到外界條件的影響且具有一定的盲目性。如今計算機技術(shù)發(fā)展得越來越快，CAD/CFD技術(shù)逐漸完善，已成為深入研究氣道及缸內(nèi)氣體流動特性的有效方法,為優(yōu)化進氣道結(jié)構(gòu)提供了很大方便。

本研究根據(jù)CFD技術(shù)理論基礎(chǔ)，利用軟件AVL-Fire模擬分析新型6160船用柴油機進氣道，得出氣門升程為12 mm時的流場特性，利用CATIA軟件對模型不合理之處進行修改，然后進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)模擬分析與評價，實現(xiàn)了進氣道結(jié)構(gòu)的改進優(yōu)化。

1 進氣道穩(wěn)態(tài)模擬

進氣道穩(wěn)態(tài)模擬仿真的依據(jù)主要是螺旋進氣道的流通能力和渦流形成能力，流量系數(shù)和渦流比采用AVL計算方法和標(biāo)準，評價指標(biāo)主要為無因次流量系數(shù)和渦流比[1-2]。

1.1 模型的建立及網(wǎng)格劃分

計算對象是新型6160船用柴油機進氣道，幾何模型參數(shù)見表1。

將模型導(dǎo)入網(wǎng)格前處理軟件Hypermesh，利用該軟件對模型結(jié)構(gòu)稍作修改，去除不需要的表面，在氣道前方添加方形穩(wěn)壓箱(見圖1)，目的是模擬進氣環(huán)境，穩(wěn)定進氣氣流，避免產(chǎn)生回流；在氣道下方建立氣缸，長度是缸徑的2.5倍，為400 mm。

利用Hypermesh軟件，對建立好的模型進行面網(wǎng)格劃分，坐標(biāo)原點取氣缸的上表面中心，方向為沿著z軸正方向。劃分結(jié)果見圖2。

表面網(wǎng)格劃分完之后，導(dǎo)入到三維模擬軟件AVL-Fire中進行體網(wǎng)格劃分，利用AVL-Fire自帶網(wǎng)格劃分工具的FAME Advanced Hybrid模塊，自動生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格規(guī)模尺寸由該模塊根據(jù)結(jié)構(gòu)空間的形狀自動調(diào)整為介于最小值(2 mm)和最大值(8 mm)之間。氣門、氣門座和氣道等部位是流動敏感區(qū)域，必須進行局部細化加密(見表2)，最終體網(wǎng)格模型(見圖3)總網(wǎng)格數(shù)為137萬。網(wǎng)格劃分完成后，在氣道網(wǎng)格模型中建立葉輪網(wǎng)格(見圖4)。

圖1 方形穩(wěn)壓箱

圖2 面網(wǎng)格

表2 局部細化網(wǎng)格尺寸表

區(qū)域網(wǎng)格尺寸/mm深度/mm氣門底0.53氣門頂0.50氣門座0.50火力板120進氣道42

圖3 體網(wǎng)格

圖4 葉輪網(wǎng)格

在AVL的評價方法中，渦流比根據(jù)葉輪的轉(zhuǎn)速和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速之比來確定。采用不同氣門升程，缸內(nèi)的渦流通過布置在氣缸1.75D位置的葉輪測量，具體尺寸見圖5。葉輪轉(zhuǎn)速r計算公式：

圖5 AVL葉輪尺寸簡圖

1.2 求解參數(shù)的設(shè)置

求解參數(shù)的合理設(shè)定是流體穩(wěn)態(tài)模擬計算的重要環(huán)節(jié)，直接影響模擬的速度和穩(wěn)定性。計算需要的求解參數(shù)見表3。

表3 求解參數(shù)表

收斂標(biāo)準采用壓力、動量和湍動能趨于穩(wěn)定來判斷，取值均為0.000 1，迭代次數(shù)取經(jīng)驗值3 000次，計算時間為10 h，結(jié)果收斂。

1.3 模擬結(jié)果分析

計算獲得了不同氣門升程的螺旋進氣道流場特性。不同升程的壓力和速度分布規(guī)律基本相同，這里取氣門升程為12 mm的壓力和速度云圖進行分析。分析平面采用的是過氣門挺桿和X軸垂直的面。由壓力云圖(見圖6)可以看出：氣門挺桿處壓力值很大，壓力集中明顯，原因是由于結(jié)構(gòu)1，2處(見圖6)坡度設(shè)計不合理，對氣流的疏導(dǎo)作用差，使得進氣氣流對氣門挺桿(結(jié)構(gòu)4)的沖擊劇烈。在速度云圖(見圖7)上可以看到結(jié)構(gòu)1，2處的速度很大，超出周圍速度很多，表明了該處結(jié)構(gòu)不合理。圖8中結(jié)構(gòu)3，5，6處的壓力小，速度大，是由于這幾個結(jié)構(gòu)表面不光滑，出現(xiàn)垂直棱角的緣故，需要進行修改，圖中虛線位置給出了改進方法。

圖6 壓力云圖

圖7 速度云圖

圖8 壓力等值線圖

2 新氣道穩(wěn)態(tài)模擬

2.1 氣道修改

利用三維建模軟件CATIA對原螺旋進氣道進行修改，參照類似進氣道的修改步驟[3]，通過CATIA軟件中的創(chuàng)成式外形設(shè)計模塊，使用自由曲面命令按照圖8的修改方案改進氣道結(jié)構(gòu)。改進前后的氣道比較見圖9和圖10。

圖10 改進后的氣道

2.2 新氣道穩(wěn)態(tài)仿真

利用AVL軟件對改進后的螺旋進氣道重新進行模擬與分析，分析依據(jù)參見文獻[4]，氣門升程不變，與原氣道保持一致。改進后的氣道結(jié)構(gòu)1，2處的弧度為120°～135°，比原來提高20%左右；結(jié)構(gòu)3處的弧度為150°～170°，比原來提高10%左右；結(jié)構(gòu)5，6處，即氣門挺桿底部采用圓角結(jié)構(gòu)。所有改進結(jié)構(gòu)內(nèi)表面都采用圓滑過渡。喉口處壓力等值線稀疏(見圖11)，氣門挺桿處壓力集中減小(見圖12)，氣流分布比原氣道更加均勻，同時，由速度云圖(見圖13)看出，改進后的速度值比原氣道提高，喉口處氣流速度減小而且更加穩(wěn)定，表明氣道彎管處對進氣氣流的疏導(dǎo)和引流作用發(fā)揮得比較好，基本達到了改進的目的。

圖11 壓力等值線圖(改進后)

圖12 壓力云圖(改進后)

圖13 速度云圖(改進后)

2.3 優(yōu)化結(jié)果分析

由AVL-Fire穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬獲取了13個不同氣門升程的流量系數(shù)和渦流比(見圖14、圖15)，可以看出，新氣道的流量系數(shù)和渦流比較原氣道都有所提高，提高程度可達10%～20%。

由圖14、圖15可見，隨著氣門升程的增加，流量系數(shù)越來越大，渦流比越來越小，符合這兩個無因次參數(shù)的變化規(guī)律。改進后的螺旋進氣道流量系數(shù)和渦流比曲線在原氣道的上方，表明氣道的改進措施起到了優(yōu)化的作用。

圖14 流量系數(shù)對比

圖15 渦流比對比

3 燃燒室瞬態(tài)模擬

3.1 燃燒室瞬態(tài)模擬方法

穩(wěn)態(tài)氣道模擬沒有考慮活塞在缸內(nèi)的運動、氣門運動及其正時的影響，且只能對進氣沖程進行分析。當(dāng)活塞上升到上止點附近時，缸內(nèi)氣流的運動狀態(tài)對燃燒有很重要的影響[5-6]。而缸內(nèi)的氣流狀態(tài)又主要受進氣道結(jié)構(gòu)的影響，通過對采用原氣道和新氣道的燃燒室進行瞬態(tài)仿真模擬，分析和比較兩者的氣體運動，可進一步驗證對原氣道進行的結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化是否合理。

對于柴油機缸內(nèi)氣流運動運動的非穩(wěn)態(tài)評價參數(shù)主要有瞬態(tài)渦流比和湍動能。

瞬態(tài)計算所需要的幾何模型參數(shù)基本與穩(wěn)態(tài)計算模型一致，不同之處見表4。

表4 模型參數(shù)

圖16 網(wǎng)格模型

模擬流程：利用前處理軟件Hypermesh對模型進行面網(wǎng)格劃分并導(dǎo)入CONVERGETM軟件中；在CONVERGETM的UI中檢查面網(wǎng)格質(zhì)量，并定義邊界條件；定義計算模型的網(wǎng)格參數(shù)、網(wǎng)格控制參數(shù)、發(fā)動機基本參數(shù)、子模型參數(shù)、計算過程控制參數(shù)、結(jié)果控制參數(shù)等。計算網(wǎng)格模型見圖16。

CONVERGETM軟件模擬模型的面網(wǎng)格邊界條件設(shè)置見表5。

表5 邊界設(shè)置

3.2 瞬態(tài)模擬結(jié)果

利用CONVERGETM軟件設(shè)置好模型參數(shù)以后，軟件將自動劃分體網(wǎng)格。CONVERGETM軟件采用AMR自適應(yīng)加密，網(wǎng)格為理想正交的六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完之后，在計算機的DOS命令符中,對原氣道和新氣道模型進行單線程計算。CONVERGETM對發(fā)動機分析常用的量自動創(chuàng)建輸出列表文件*.out，然后使用Excel表格打開，即得到瞬態(tài)模擬下的渦流比和湍動能等一系列數(shù)據(jù)。

使用畫圖軟件Origin Pro8，將得到的渦流比和湍動能(TKE)繪制成曲線圖，圖17示出瞬態(tài)渦流比曲線，圖18示出瞬態(tài)湍動能曲線。

由圖17可以看出：新氣道的渦流比要比原氣道的穩(wěn)定，且在氣門升程最大值處新氣道渦流比比原氣道大；上止點以后，新氣道的渦流形成能力要強于原氣道，穩(wěn)定而強烈的渦流有助于燃燒室內(nèi)混合氣的充分燃燒。由圖18可以看出，兩者湍動能趨勢大致相同，但是新氣道的湍動能要明顯大于原氣道，這有利于缸內(nèi)氣體充分的混合燃燒?？梢钥闯?，新螺旋進氣道各方面的性能均優(yōu)于原氣道，說明結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果明顯。

圖17 瞬態(tài)渦流比曲線

圖18 瞬態(tài)湍動能曲線

4 結(jié)論

a) 新氣道的壓力和速度分布更加均勻，彎管喉口處的壓力集中減小很多，對進氣氣流的引導(dǎo)作用更加充分，減小氣流對氣門挺桿的沖擊，有利于混合氣的充分燃燒，提高發(fā)動機的性能；

b) 與原進氣道相比，改進后的氣道進氣性能提高15%左右，渦流產(chǎn)生能力提高20%左右，充氣效率明顯提高；

c) 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)數(shù)值模擬可以在比較短的時間內(nèi)獲取氣道和缸內(nèi)的流動特性，節(jié)省了人力、財力，為柴油機進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。

[1] Stone C R. The Measurement and Analysis of Swirl in Steady Flow[C].SAE Paper 921624,1992.

[2] 周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社,2006.

[3] 范永奇,張澤豹,姚建明,等.基于CATIA的柴油機螺旋氣道設(shè)計及數(shù)值模擬[J].內(nèi)燃機,2011(6):27-30.

[4] Rathnaraj J D, Bose B J R, Kumar M N. Simulation and Experimental Investigation of Variable Swirl Intake Port in DI Diesel Engine Using CFD[C]//ASME 2006 2nd Joint U.S.-European Fluids Engineering Summer Meeting Collocated With the 14th International Conference on Nuclear Engineering American Society of Mechanical Engineers.Miami:ASME,2006:203-210.

[5] Payri F, Benajes J, Margot X, et al. CFD modeling of the in-cylinder flow in direct-injection Diesel engines[J]. Computers & Fluids,2004,33(8):995-1021.

[6] Benny P, Ganesan V. Flow field development in a direct injection diesel engine with different manifolds[J]. International Journal of Engineering Science & Technology,2010(1):80-91.

[編輯： 潘麗麗]

3D Simulation and Structure Optimization for Helical Intake Port of Diesel Engine

ZHANG Qingcai, GAO Chao, WANG Renren

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Qilu University of Technology, Ji’nan 250353, China)

Based on the computational fluid dynamic technological theory, the helical intake port of new-typed 6160 marine diesel engine was analyzed with AVL Fire software and the flow coefficient, the swirl ratio and the cloud picture of flow field characteristics were acquired. The defects of original intake port were modified and optimized with the software of CATIA and then the steady and transient evaluations were conducted. The results show that the charge performance of optimized helical intake port increases by about 15% and the generating ability of swirl flow increased by about 20%.

computational fluid dynamic(CFD); helical intake port; numerical stimulation; structure optimization

2015-11-02；

2016-03-16

濟南市高校自主創(chuàng)新計劃項目(201004016)

張慶才(1988—)，男，碩士，主要研究方向為內(nèi)燃機進排氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計；18765831968@163.com。

王仁人(1962—)，男，教授，博士，主要研究方向為內(nèi)燃機節(jié)能與排放；wrr@qlu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.004

TK423.44

B

1001-2222(2016)03-0020-05