柴油機進氣過程三維瞬態(tài)數(shù)值模擬研究

何文劍，孫 平，王唯棟

(江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013)

在柴油機中，進氣過程進入氣缸的空氣量和氣體的速度分布及其渦流和湍流狀況等明顯影響著燃燒過程，從而影響其經(jīng)濟性、動力性和排放指標，而進氣道的結(jié)構(gòu)直接影響內(nèi)燃機缸內(nèi)新鮮空氣充量的多少和渦流的強度，從而直接關(guān)系到內(nèi)燃機的燃燒完善度、排氣的成分以及廢氣可用能量等[1-2].

三維瞬態(tài)數(shù)值模擬是近年隨著計算機計算速度的提升以及計算機圖形處理技術(shù)的發(fā)展而逐漸發(fā)展完善的.瞬態(tài)模擬計算通過動網(wǎng)格技術(shù)可以更準確地分析進氣過程中缸內(nèi)湍流強度，流場速度等隨曲軸旋轉(zhuǎn)的變化規(guī)律[3].作者利用FIRE軟件完成了柴油機在進氣過程中進氣道-氣門-氣缸內(nèi)氣體流動的三維瞬態(tài)數(shù)值模擬，分析螺旋氣道的性能參數(shù)及缸內(nèi)流場狀態(tài)，為柴油機進氣道的設(shè)計提供理論依據(jù).

1 計算模型的確立

1.1 幾何模型的建立

在Pro/E中建立了螺旋進氣道-氣門-氣缸的三維幾何模型，沒有考慮排氣道和燃燒室的影響，并假設(shè)活塞頂面是一個移動的平面，只研究進氣過程的螺旋進氣道性能.定義進氣上止點為360°CA，則計算周期是從上止點開始到接近進氣終了的時刻，即曲軸轉(zhuǎn)角從361°CA到565°CA的進氣行程.計算開始時刻，進氣門已經(jīng)提前設(shè)定為開啟狀態(tài)，即在361°CA時氣門開度與實際是相吻合的，同時這一區(qū)間包括了絕大部分的進氣過程，初始計算三維模型如圖1.

圖1 氣道初始計算三維模型

1.2 移動網(wǎng)格的生成

動網(wǎng)格的生成首先是利用Fire軟件中的靜態(tài)網(wǎng)格生成工具生成相應初始三維模型的體網(wǎng)格，然后，利用 Fame Engine Plus模塊來移動初始網(wǎng)格[4].其中，氣門是按照發(fā)動機氣門升程表和配氣相位來運動，表1為氣門配氣相位，圖2為計算用氣門升程曲線.最后所生成網(wǎng)格質(zhì)量較好，沒有負網(wǎng)格出現(xiàn)，只有少量Twist Face出現(xiàn)，但并不影響瞬態(tài)計算收斂.

表1 配氣相位

圖2 模擬計算用氣門升程曲線

圖3為活塞運行到達下止點曲軸轉(zhuǎn)角540°CA處對應的網(wǎng)格剖面圖，此時氣缸容積最大，氣門已經(jīng)回落至升程約3 mm的位置.

圖3 540°CA曲軸轉(zhuǎn)角處的動網(wǎng)格剖面圖

1.3 邊界條件的確定

初始條件和邊界條件一般靠經(jīng)驗、試驗結(jié)果和參考文獻獲得，也可以由一維模擬軟件計算得出.對于氣道計算中，邊界條件則是根據(jù)前人試驗結(jié)果得出[5].一般在入口面加總壓，氣缸出口處加靜壓，進、出口邊界采用壓力邊界條件.考慮到要與穩(wěn)態(tài)模擬以及試驗邊界條件一致，設(shè)定氣道進口壓力為100.5 kPa，氣缸出口壓力為97.07 kPa.

壁面溫度采用絕熱邊界條件，固定溫度與試驗條件一致，為305.15 K;壁面速度采用絕對無滑移、無滲透邊界條件，用湍流壁面函數(shù)對邊界層進行處理[6].

1.4 方程的離散及求解

在設(shè)定初始邊界條件后，設(shè)定柴油機轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速3 200 r/min.湍流模型選擇標準k-ε模型，選擇有限體積法對偏微分方程離散求解，壓力-速度耦合計算采用SIMPLE方法[7].最終結(jié)果從曲軸轉(zhuǎn)角361°CA一直到565°CA每一度都計算收斂.

2 瞬態(tài)模擬的缸內(nèi)流場分析

2.1 缸內(nèi)平均參數(shù)的變化

圖4至圖7為模擬計算過程中的部分缸內(nèi)平均參數(shù)變化圖.

圖4表示的是缸內(nèi)氣體質(zhì)量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況.可以發(fā)現(xiàn):在進氣初期，由于氣門開度很小，進入氣缸內(nèi)的氣體質(zhì)量增加很少，對計算結(jié)果影響不大，所以，在建立三維模型時，忽略曲軸轉(zhuǎn)角360°CA之前的進氣過程是完全可行的.

缸內(nèi)氣體壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況如圖5所示，可以看出來:活塞經(jīng)過上止點開始下行，氣門升程很小，缸內(nèi)容積增加，缸內(nèi)壓力下降，使得氣道與缸內(nèi)壓差迅速增大.隨著氣門的逐漸開啟，氣道處的氣體將以很高的速度流入缸內(nèi)，缸內(nèi)充量增加，壓力出現(xiàn)一個平緩過渡期.當曲軸轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)到390°CA時，由于氣門升程增大，活塞下行速度較大，缸內(nèi)容積繼續(xù)增加，缸內(nèi)氣體壓力繼續(xù)下降.當曲軸轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)到440°CA左右時，缸內(nèi)充量增加速度大于缸內(nèi)容積增加速度，缸內(nèi)的壓力開始上升.

圖6為湍動能隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況，從中可了解到，進氣過程中，缸內(nèi)平均湍動能值在曲軸轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)到460°CA左右時達到最大值，到了進氣后期，缸內(nèi)平均湍動能將會逐漸下降.在活塞運動到下止點之前，活塞下移的速度逐漸減慢，但是進氣系統(tǒng)向缸內(nèi)充氣的氣體流速依然很高，缸內(nèi)氣體質(zhì)量仍能緩慢的增加，進氣門的遲閉正是利用在這種進氣過程中形成的氣流慣性，實現(xiàn)向氣缸的慣性充氣，增加缸內(nèi)充量.這樣也使得進氣末期，缸壓略高于氣道或進氣管壓力.

圖6 湍動能的變化

由圖5中可以看出進氣終了時，缸內(nèi)壓力已經(jīng)高過進氣管初始壓力，如果進氣門此時仍然打開，就容易導致缸內(nèi)氣體倒流，運用三維瞬態(tài)模擬就可以直觀地檢驗進氣終了時，缸內(nèi)氣體是否發(fā)生倒流.圖7為進氣過程中缸內(nèi)流入和流出的質(zhì)量流量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況.圖7就可以發(fā)現(xiàn)有少量氣體有倒流現(xiàn)象:在該轉(zhuǎn)速工況下，曲軸轉(zhuǎn)角在550°CA后缸內(nèi)有少量氣體流出氣缸，缸內(nèi)流出的氣體流量開始增加，說明該轉(zhuǎn)速下進氣遲閉角過大，配氣相位并不是最佳的.

圖7 質(zhì)量流量的變化

2.2 湍動能場的分析

湍流是當今世界上的科學難題之一，而內(nèi)燃機氣缸內(nèi)氣體充量始終在進行著極其復雜而又強烈瞬變的湍流運動[8].湍動能值比較大的位置，氣流運動就相對比較強烈，且運動狀況比較復雜，但是氣流速度大，則相應的摩擦力也很大.對于氣道設(shè)計，總是希望達到設(shè)計所要求的渦流比而又阻力最小，所以，了解進氣過程中湍動能的分布是非常有必要的.湍動能場有兩種顯示方法:①等值線法;②云圖法.等值線法表達更加清晰，而云圖法表達比較直觀形象.文中采用湍動能等值線圖來表示湍動能運動過程.

圖8為不同曲軸轉(zhuǎn)角下正截面上湍動能場的分布圖.由圖可知在進氣過程前期，湍動能值較大區(qū)域主要集中在氣門以及氣門桿的右側(cè)，此時由于氣門的節(jié)流作用，缸內(nèi)湍動能值相比氣門附近區(qū)域較小.隨著氣門升程的增大氣體流速逐漸增高并且直接沖擊氣門桿和氣門頭部過渡圓弧面，由于右側(cè)氣流更靠近氣缸壁面，所以，該側(cè)流域湍動能值比其它流域的值要大，這種狀態(tài)一直持續(xù)到520°CA曲軸轉(zhuǎn)角.在以后的過程中，由于活塞下行使缸內(nèi)空間變大和缸內(nèi)渦流的形成，湍動能的主要分布由進氣道逐漸轉(zhuǎn)移到氣缸內(nèi)部，靠近氣缸壁面和氣門邊緣的湍動能值比較大，最后隨著曲軸轉(zhuǎn)角的進一步增大，湍動能在缸內(nèi)的分布趨于平均化.

圖8 不同曲軸轉(zhuǎn)角的缸內(nèi)湍動能場

2.3 速度場的分析

如圖9為不同曲軸轉(zhuǎn)角位置的氣缸水平截面上的速度矢量圖.Z為不同截面距缸蓋底面的距離，負號表示該截面處于缸蓋底面之下.

圖9 不同曲軸轉(zhuǎn)角氣缸水平截面速度場矢量圖

從曲軸轉(zhuǎn)角430°CA時的不同水平截面圖中可以發(fā)現(xiàn)，在Z=－20 mm平面處已經(jīng)形成一個完整的大渦流，處在氣門的正下方，但此時缸內(nèi)流場比較紊亂，該平面內(nèi)的最大速度處在渦流的外圍，為136.63 m/s，由于氣缸壁的約束使得在氣缸壁面處有小渦流形成的趨勢;在Z=－35 mm平面上，渦流中心已運動到接近氣缸中心，該平面內(nèi)的流體最大速度降低為84.69 m/s.從曲軸角度460°CA對應的水平截面圖中可以發(fā)現(xiàn)，在Z=－20 mm平面處已經(jīng)有3個渦流產(chǎn)生，隨著氣流下行，3個渦流慢慢融合成一個靠近氣缸中心的唯一渦流且速度分布較均勻;在曲軸轉(zhuǎn)角520°CA處，氣門回落至約6 mm處，活塞繼續(xù)往下止點運行，但是隨著活塞速度的減小和缸內(nèi)壓力進一步升高，該截面最大流速相對460°CA曲軸轉(zhuǎn)角有所下降.此時，從橫截面圖可見3個渦流并沒有因為速度的降低而消失，而在向活塞頂面發(fā)展時，3個渦流融合的速度放緩，直至Z=－75 mm平面處才融為一個靠近活塞頂面的渦流，此時流速較小.

2.4 瞬態(tài)模擬與穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果的對比

針對螺旋進氣道分別進行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬和瞬態(tài)數(shù)值模擬:穩(wěn)態(tài)模擬中，沒有加入活塞運動對氣流的影響，氣門位置固定不變，分別選取不同氣門升程來進行計算;瞬態(tài)模擬中，加入活塞運動，氣門是按照氣門升程曲線運動的，計算區(qū)域是動態(tài)變化的.選取最大氣門升程9.3 mm時的兩種模擬結(jié)果進行對比研究.以TS(Transient simulation)代表標定轉(zhuǎn)速下的瞬態(tài)模擬結(jié)果數(shù)據(jù);以SS(Steady simulation)代表標定轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)[9].

氣門在最大升程時對應曲軸轉(zhuǎn)角為463°CA，圖10(a)、(b)是最大氣門升程9.3 mm位置時瞬態(tài)模擬與穩(wěn)態(tài)模擬速度場的對比.從圖中可以看出:TS中最大速度達到280 m/s左右;SS中最大速度只有150 m/s.TS中缸內(nèi)氣流速度整體要大于SS中的結(jié)果.因為在瞬態(tài)模擬中，活塞的向下運動帶動周圍氣體，致使氣流速度增大，在模擬中加入活塞的運動更能體現(xiàn)缸內(nèi)流場的真實情況.另外，在圖10(a)TS中可以看出，在缸內(nèi)右側(cè)下部分有形成滾流的趨勢，由于活塞頂?shù)淖钃醵纬傻?與圖10(b)SS相對比，顯然TS中的氣流運動更為復雜.

圖10 9.3 mm氣門升程下的缸內(nèi)速度場對比

圖11(a)、(b)是最大氣門升程時，瞬態(tài)模擬與穩(wěn)態(tài)模擬湍動能場的對比.可以看出:瞬態(tài)模擬的缸內(nèi)平均湍動能值在100～150 m3/s2，大于穩(wěn)態(tài)模擬的湍動能值且趨于均化，在缸內(nèi)底部還存在湍動能較高區(qū)域，這種分布有利于氣體的流動.穩(wěn)態(tài)結(jié)果中，高湍動能區(qū)仍位于氣門座圈附近沒有完全進入氣缸，缸內(nèi)平均湍動能偏低.

圖11 9.3 mm氣門升程下的缸內(nèi)湍動能場對比

由以上對比可以看出:標定轉(zhuǎn)速下，瞬態(tài)模擬的流場速度在氣門升程增加的過程中，始終較穩(wěn)態(tài)模擬的流速大，渦流結(jié)構(gòu)不同，且兩者的湍動能大小與分布差異很大;在進氣終了時刻的氣體倒流現(xiàn)象也是穩(wěn)態(tài)模擬不能得出的結(jié)果.從兩者的對比分析可以認為，瞬態(tài)模擬缸內(nèi)流場具有其相對優(yōu)越性，其模擬結(jié)果更為真實可靠，并能夠成為螺旋氣道設(shè)計開發(fā)或氣道改進的參考依據(jù).

3 結(jié)論

1)較為系統(tǒng)地對螺旋進氣道進氣過程進行了三維瞬態(tài)數(shù)值模擬，可以更為詳細地了解缸內(nèi)流場各物理量的變化情況，并直觀地對其流動特性進行了分析，繼而為螺旋進氣道的設(shè)計提供一定的理論依據(jù).

2)通過對進氣過程中缸內(nèi)平均參數(shù)變化情況的研究，直觀地檢驗了在進氣終了時刻缸內(nèi)氣體是否發(fā)生倒流現(xiàn)象，為配氣相位的調(diào)整提供指導依據(jù).

3)在整個進氣過程中，湍動能隨著曲軸轉(zhuǎn)角呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，湍動能相對較高區(qū)域從氣缸頂部下移到氣缸中部，最后趨于均化，湍動能的這種分布特性對燃油的霧化以及與空氣的混合均產(chǎn)生積極地影響.

4)與穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬相比較，三維瞬態(tài)數(shù)值模擬具有實時性，瞬態(tài)結(jié)果中缸內(nèi)速度場和湍動能場的分布更符合缸內(nèi)流場實際情況，具有較大的優(yōu)越性.

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