基于CFD雙通道渦流室式柴油機缸內(nèi)氣體流動模擬研究

袁文華，吳 浩，伏 軍，馬傳武，黃奇林，馬 儀

(邵陽學(xué)院 機械與能源工程學(xué)院，湖南 邵陽，422000)

渦流室式柴油機具有適應(yīng)強、排放低、噪音小等優(yōu)點[1]。但處于渦流室與主燃燒室之間的連接通道存在節(jié)流作用，對燃燒室內(nèi)混合氣的形成和燃燒過程有一定的影響[2-3]，節(jié)流過大將導(dǎo)致渦流室式柴油機熱負(fù)荷高、比油耗較大等[4-6]。合適的連接通道結(jié)構(gòu)可以改善發(fā)動機內(nèi)氣體流動狀態(tài)，從而改善渦流室內(nèi)混合氣的形成效率和混合氣的燃燒情況[7-9]。因此探究連接通道結(jié)構(gòu)對渦流室式柴油機內(nèi)氣體運動特性的影響具有重大的現(xiàn)實意義。國內(nèi)外對此已有較多的研究：Tadao Okazaki 等[9]研究了不同連接通道形狀對缸內(nèi)氣體運動的影響；唐智等[10]研究了不同連接通道傾角下缸內(nèi)的空氣流動；馬儀等[11]在不考慮啟動孔對雙連接通道不同傾角結(jié)構(gòu)渦流室進(jìn)行了數(shù)值模擬；袁文華等[12]對渦流室紊流特性進(jìn)行了仿真分析；許思傳等[13]研究不同渦流室渦流比情況下柴油機湍流流動情況；牛彩偉等[14]模擬柴油機缸內(nèi)瞬態(tài)空氣運動狀態(tài)研究空氣流動情況。綜上所述均通過改變連接通道的不同因素研究渦流室內(nèi)氣體運動情況，通過改善氣體運動情況來改善缸內(nèi)的燃燒情況。文中以單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機和雙通道渦流室式風(fēng)冷柴油機為研究對象，在考慮啟動孔的情況下，應(yīng)用CFD軟件對其進(jìn)行數(shù)值模擬，探究其缸內(nèi)空氣流場特性。

1 模型建立和網(wǎng)格劃分

1.1 物理模型

文中以單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機為原型，對其渦流室鑲塊連接通道進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機與改進(jìn)后雙通道渦流室式風(fēng)冷柴油機技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖1(a)為單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機燃燒室的鑲塊結(jié)構(gòu)示意圖，鑲塊連接通道與豎直方向夾角為50°CA，以A面為基面，連接通道的橫截面積為58.65mm2，圖1(b)為雙通道渦流室式風(fēng)冷柴油機燃燒室的鑲塊結(jié)構(gòu)示意圖，鑲塊連接通道①、②與豎直方向夾角均為40°CA，以A面為基面，連接通道①、②的總橫截面積為69.63mm2。連接通道①以A面為基面，沿連接通道①的軸線方向上，向上以20°CA擴張，連接通道②以A面為基面，沿連接通道②的軸線方向上，向上以-10°CA擴張。

表1 單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機與雙通道渦流室式風(fēng)冷柴油機基本技術(shù)參數(shù)

(a)單通道鑲塊結(jié)構(gòu)示意圖 (b)雙通道鑲塊結(jié)構(gòu)示意圖圖1 燃燒室鑲塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of combustion chamber geometry

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用擬流體模型，進(jìn)入柴油機氣缸內(nèi)的氣體視為理想氣體并且為連續(xù)性介質(zhì)，文中計算為一個封閉系統(tǒng)(從進(jìn)氣門關(guān)閉588°CA到上止點720°CA)，遵循質(zhì)量守恒、動量守恒以及能量守恒等原理，各守恒原理控制方程如下所示：

1.連續(xù)性方程：

(1)

式中：ρ為氣體密度(kg/m3)；u為氣體流速(m/s)。

2.動量守恒方程：

(2)

式中：p為氣體壓力(Pa)；A為量綱1的流型系數(shù)，在層流計算中A的值為0，在湍流計算中A的值為1；a為隨時間變化的無量綱數(shù)；k為湍流脈動動能(kJ)；g為比體積力，是常數(shù)；σ為表面張力(N/m)。

3.能量守恒方程：

(3)

J=-K

(4)

(5)

式中：T為氣體熱力學(xué)溫度(K)；hm為組分m的焓(kJ)；cp為比定壓熱容(kJ·(kg·K)-1)；J為熱通量矢量，為熱傳導(dǎo)和焓擴散作用之和；K為導(dǎo)熱系數(shù)；Prt為Prandtl常數(shù)。

1.3 仿真計算

模擬對象為單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機以及雙通道渦流室式風(fēng)冷柴油機，圖2(a)為單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機氣缸及燃燒室模型，圖2(b)為雙通道渦流室式風(fēng)冷柴油機氣缸及燃燒室模型。

(a)單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機氣缸及燃燒室三維模型 (b)雙通道渦流室式風(fēng)冷柴油機氣缸及燃燒室三維模型圖2 氣缸及燃燒室三維模型Fig.2 Cylinder and combustion chamber’s 3D model

(a)單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機燃燒室593°網(wǎng)格模型 (b)雙通道渦流室式風(fēng)冷柴油機燃燒室593°網(wǎng)格模型圖3 燃燒室593°網(wǎng)格模型Fig.3 Combustion chamber’s 593°grid model

為了接近真實情況，在建立模型時，考慮了啟動孔以及除去吊鐘型渦流室安裝噴油器所占據(jù)的空間，在模型中不加入進(jìn)排氣道，而且也不考慮壓縮末期燃油噴射，只考慮從進(jìn)氣門關(guān)閉時刻588°CA開始(上止點前132°CA)運行至止點720°CA時渦流室、連接通道以及啟動孔內(nèi)流場情況。利用FAME Engine Plus模塊生成移動網(wǎng)格，在動網(wǎng)格劃分的過程中使用與之相對應(yīng)的活塞運動曲線控制活塞的運動。生成FEP格式的動網(wǎng)格，運用CHECKS命令檢驗動網(wǎng)格生成質(zhì)量，對于其中可能會存在質(zhì)量不合格的網(wǎng)格，運用Fame Engine Plus模塊中Refine Redimension工具對質(zhì)量不合格的網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分。對單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機燃燒室和雙通道渦流室式風(fēng)冷柴油機燃燒室進(jìn)行劃分網(wǎng)格時，設(shè)定網(wǎng)格最大網(wǎng)格尺寸0.00125m，最小網(wǎng)格尺寸0.000625m。單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機氣缸及燃燒室最小網(wǎng)格數(shù)135632，最大網(wǎng)格數(shù)342397，當(dāng)活塞運行至593°CA時，網(wǎng)格模型如圖3(a)所示，網(wǎng)格數(shù)為371188，雙通道渦流室式風(fēng)冷柴油機氣缸及燃燒室最小網(wǎng)格數(shù)136627，最大網(wǎng)格數(shù)為373875，當(dāng)活塞運行至593°CA時，模型如圖3(b)所示，網(wǎng)格數(shù)為372746。

1.4 邊界初始條件

計算中定義動網(wǎng)格中540°CA為下止點，720°CA為上止點，活塞從540°CA到720°CA為壓縮行程，計算中從588°CA(上止點前132°CA，進(jìn)氣門關(guān)閉)開始到720°CA終。計算中由于連接通道和啟動孔有較大的傾角，而標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型僅適應(yīng)于完全湍流過程，如果用于帶有彎曲壁面的流動，會出現(xiàn)一定失真，所以湍流模型采用重整化群k-ε湍流模型[15]；發(fā)動機的轉(zhuǎn)速為2600r/min，自動吸氣方式，缸內(nèi)氣體為均勻分布的理想空氣，且各處溫度、壓力相等，初始速度為零，缸內(nèi)氣體初始溫度350K，壓力0.1MPa。邊界條件；活塞及活塞壁面絕熱自由移動壁面，氣缸壁、渦流室、連接通道和啟動孔為絕熱固定壁面，活塞、渦流室、連接通道、啟動孔溫度475K，氣缸壁450K。

2 計算結(jié)果與分析

由圖4、圖5可以看出模擬活塞從進(jìn)氣門關(guān)閉時刻曲軸轉(zhuǎn)角588°CA(進(jìn)氣門關(guān)閉時刻)運動到720°CA(上止點)缸內(nèi)氣體流場變化的過程，通過從速度、壓力變化的角度認(rèn)識柴油機缸內(nèi)氣體情況。

(a)670°CA (b)680°CA (c)690°CA

(d)700°CA (e)710°CA (f)720°CA圖4 單通道渦流室速度矢量圖Fig.4 Velocity contour of the single-channel swirl chamber

由圖4觀察可知，隨著活塞從588°CA(進(jìn)氣門關(guān)閉時刻)運動到720°CA(上止點)，壓縮缸內(nèi)氣體沿著連接通道和啟動孔進(jìn)入渦流室，并形成一次有序且連續(xù)的渦流運動。當(dāng)670°CA時，氣體沿著連接通道和啟動孔進(jìn)入渦流室形成一次不完整的渦流，渦流的中心位于渦流室左側(cè)偏上幾何位置。渦流運動位于渦流室右側(cè)的氣流與啟動孔延長線上氣流方向相反，產(chǎn)生相互消耗，在渦流室?guī)缀沃行钠路絽^(qū)域形成低速區(qū)。在連接通道反向延長線左下方區(qū)域形成較弱的二次反向渦流。此時，氣體流速最高出現(xiàn)在連接通道與啟動孔內(nèi)，達(dá)到110m/s，低速區(qū)流速達(dá)到14m/s，反向渦流整體流速達(dá)到20m/s，渦流運動中氣體流速最高達(dá)到77m/s，渦流左側(cè)流速最高達(dá)到77m/s，右側(cè)流速最高達(dá)到35m/s，渦核流速達(dá)到10m/s，說明此時渦流正處于孕育期；當(dāng)680°CA時，渦流室內(nèi)形成一個完整的渦流運動，渦核位于渦流室中心偏左上幾何區(qū)域。沿著連接通道反向延長線左下方區(qū)域形成的反向渦流也有著明顯的加強，反向渦流逐漸向渦流室左下拐角位置移動。啟動孔延長線上氣流與渦流運動匯聚，促使渦流運動加強。此時，氣體流速最高出現(xiàn)在連接通道與啟動孔內(nèi)，達(dá)到120m/s，反向渦流整體流速達(dá)到42m/s，渦流運動中氣體流速最高達(dá)到112m/s，渦流左側(cè)最高流速達(dá)到112m/s，右側(cè)最高流速達(dá)到60m/s，渦核流速達(dá)到10m/s，說明此時渦流處于初生期；但在690°CA時，反向渦流開始耗散，渦流運動整體增強，渦流核心位于渦流室中心偏左側(cè)幾何位置。氣體流速最高出現(xiàn)在連接通道與啟動孔內(nèi)，達(dá)到120m/s，反向渦流整體流速達(dá)到42m/s，渦流運動中氣體流速最高達(dá)到112m/s，渦流左側(cè)最高流速達(dá)到112m/s，右側(cè)最高流速達(dá)到60m/s，渦核流速達(dá)到10m/s，說明此時渦流處于成長期。隨著活塞上行，從700°CA、710°CA、720°CA可以看出，渦流運動逐漸分布均勻，渦流運動的核心從渦流室中心偏左側(cè)幾何位置逐漸右移，在720°CA時，渦流核心與渦流室?guī)缀沃行闹睾希瑴u流運動分布均勻?qū)ΨQ。同時，開始有小股氣流從啟動孔流入主燃燒室。700°CA時，連接通道與啟動孔內(nèi)氣體流速最高達(dá)到140m/s，渦流運動流速最高達(dá)到133m/s，渦核流速達(dá)到28m/s；710°CA時，連接通道與啟動孔內(nèi)氣體流速最高達(dá)到133m/s，渦流運動流速最高達(dá)到126m/s，渦核流速達(dá)到42m/s；720°CA時，連接通道內(nèi)氣體流速最高達(dá)到28m/s，啟動孔內(nèi)氣體流速最高達(dá)到-98m/s，渦流室內(nèi)最高流速達(dá)到98m/s，渦核流速達(dá)到25m/s。說明從700°CA到720°CA，渦流運動經(jīng)歷了調(diào)整期、穩(wěn)定期、衰弱期。

(a)670°CA (b)680°CA (c)690°CA

(d)700°CA (e)710°CA (f)720°CA圖5 雙通道渦流室速度矢量圖Fig.5 Velocity contour of the dual-channel swirl chamber

觀察圖5可知，當(dāng)670°CA時，氣體沿著連接通道和啟動孔反向延長線進(jìn)入渦流室形成一次不完整的渦流，渦流的中心位于渦流室左側(cè)偏上幾何位置。渦流運動位于渦流室右側(cè)的氣流與啟動孔延長線上氣流方向相反，產(chǎn)生相互消耗，在渦流室?guī)缀沃行钠路絽^(qū)域形成低速區(qū)，但是此時，啟動孔延長線上氣流已經(jīng)開始融入渦流運動中。在連接通道反向延長線左下方區(qū)域形成較弱的不完整的二次反向渦流。此時，氣體流速最高出現(xiàn)在連接通道與啟動孔內(nèi)，達(dá)到100m/s，低速區(qū)流速達(dá)到14m/s，反向渦流整體流速達(dá)到14m/s，渦流運動中氣體流速最高達(dá)到70m/s，渦流左側(cè)流速最高達(dá)到70m/s，右側(cè)流速最高達(dá)到42m/s，渦核流速達(dá)到14m/s；當(dāng)680°CA時，渦流室內(nèi)形成一個完整的渦流運動，渦核位于渦流室中心偏左上幾何區(qū)域。沿著連接通道反向延長線左下方區(qū)域形成的不完整反向渦流正在消失。啟動孔延長線上氣流與渦流運動已經(jīng)完全相融，促使渦流運動加強，但是渦流內(nèi)部有一塊橢圓形低速區(qū)。此時，氣體流速最高出現(xiàn)在連接通道與啟動孔內(nèi)，達(dá)到112m/s，反向渦流整體流速達(dá)到28m/s，渦流運動中氣體流速最高達(dá)到100m/s，渦流左側(cè)最高流速達(dá)到100m/s，右側(cè)最高流速達(dá)到84m/s，渦核流速達(dá)到10m/s；但在690°CA時，反向渦流完全耗散，渦流運動整體增強，渦流核心位于渦流室中心偏左側(cè)幾何位置，渦流運動內(nèi)部橢圓形低速區(qū)逐漸變成了扇形，而且氣體流速有明顯的增強。氣體流速最高出現(xiàn)在連接通道①內(nèi)，達(dá)到126m/s，連接通道②內(nèi)氣體流速最高達(dá)到112m/s，啟動孔內(nèi)氣體流速最高達(dá)到120m/s，渦流運動中氣體流速最高達(dá)到105m/s，渦流左側(cè)最高流速達(dá)到105m/s，右側(cè)最高流速達(dá)到91m/s，渦核及內(nèi)部扇形區(qū)域流速達(dá)到35m/s。隨著活塞上行，從700°CA、710°CA、720°CA可以看出，渦流運動漸漸對自身進(jìn)行調(diào)整，渦流運動的核心從渦流室中心偏左側(cè)幾何位置逐漸右移，在720°CA時，渦流核心與渦流室?guī)缀沃行闹睾?，渦流運動分布均勻?qū)ΨQ，渦流運動氣體流速也分布比較均勻。同時，渦流室內(nèi)氣體經(jīng)由啟動孔流入主燃燒室。700°CA時，連接通道與啟動孔內(nèi)氣體流速最高達(dá)到135m/s，渦流運動流速最高達(dá)到119m/s，渦核流速達(dá)到28m/s；710°CA時，氣體流速最高出現(xiàn)在連接通道②內(nèi)，達(dá)到119m/s，連接通道①內(nèi)以及啟動孔內(nèi)氣體流速最高達(dá)到105m/s，渦流運動流速最高達(dá)到110m/s，渦核流速達(dá)到30m/s；720°CA時，連接通道內(nèi)氣體流速最高達(dá)到21m/s，啟動孔內(nèi)氣體流速最高到-91m/s，渦流室內(nèi)氣體流速最高到達(dá)到93m/s，渦核流速達(dá)到25m/s。

觀察圖5與圖4相比可知，渦流室內(nèi)氣體形成了渦流，渦流運動經(jīng)歷了孕育期、初生期、成長期、調(diào)整期、穩(wěn)定期、衰弱期。但是氣體運動情況仍存在一定的差別。圖5中氣體流速整體略低于圖4中氣體流速，但是圖5中沒有形成完整的反向渦流，渦流運動的整體氣體流速相差較小、分布比較均勻，說明圖5中結(jié)構(gòu)氣體動能消耗小于圖4中結(jié)構(gòu)。

圖6、圖7所示分別是單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機和雙通道渦流室式柴油機曲軸轉(zhuǎn)角690°CA、700°CA、710°CA、720°CA下缸內(nèi)壓力變化。從690°CA觀察可知，氣缸內(nèi)壓力高于渦流室，渦流室近壁面壓力略高于渦流室非近壁面，而且雙通道渦流室式柴油機渦流室內(nèi)以及連接通道內(nèi)壓力高于單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機渦流室和連接通道內(nèi)壓力。從700°CA、710°CA觀察可知，隨著活塞上行將氣缸內(nèi)氣體壓入渦流室，渦流室內(nèi)形成完整的渦流并逐漸完善，缸內(nèi)壓力發(fā)生較明顯變化。在700°CA時，單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機渦流室渦流中心區(qū)域壓力比渦流室近壁面以及連接通道內(nèi)壓力高。雙通道渦流室式柴油機渦流室壓力分布較為均勻，無明顯變化。在當(dāng)710°CA時，渦流室壓力分布發(fā)生了明顯變化，渦流室中形成了較大的渦流區(qū)域，渦流中心壓力最低，渦流室近壁面壓力及連接通道內(nèi)壓力高于渦流中心，其中渦流室近壁面氣流拐角處壓力更高。與單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機相比，雙通道渦流室式柴油機渦流室壓力小于原機渦流室內(nèi)壓力。從720°CA觀察可知，隨著活塞上行將氣缸內(nèi)氣體全部壓入渦流室，渦流室內(nèi)形成較大的渦流并且渦流運動穩(wěn)定，渦流中心區(qū)域壓力最低，渦流室近壁面以及燃油噴射孔附近壓力較高，其中在啟動孔附近壓力最高。與單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機相比，雙通道渦流室式柴油機渦流室渦流中心區(qū)域壓力較高，而且區(qū)域面積小于單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機渦流室渦流中心區(qū)域。單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機渦流室內(nèi)壓力最大達(dá)到4.43MPa，雙通道渦流室式柴油機渦流室壓力最大達(dá)到4.42MP。

(a)690°CA (b)700°CA

(c)710°CA (d)720°CA圖6 單通道渦流室壓力云圖Fig.6 Pressure contour of the single-channel swirl chamber

(a)690°CA (b)700°CA

(c)710°CA (d)720°CA圖7 雙通道渦流室壓力云圖Fig.7 Pressure contour of the dual-channel swirl chamber

綜上所述分析認(rèn)為，隨著活塞上行，壓力變化起初出現(xiàn)在氣缸內(nèi)，且起初氣缸內(nèi)壓力大于渦流室內(nèi)壓力，氣缸內(nèi)氣體逐漸被擠壓進(jìn)入渦流室，渦流室內(nèi)壓力逐漸增大。當(dāng)被擠壓進(jìn)入渦流室的氣流形成穩(wěn)定渦流時，渦流中心區(qū)域壓力最低，渦流室近壁面區(qū)域壓力較高，其中渦流室氣流運動拐角處壓力最高。

3 結(jié)論

1.隨著活塞向上運行，單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機和雙通道渦流室式柴油機渦流室內(nèi)氣流運動發(fā)展形態(tài)及過程基本一致，都經(jīng)歷了渦流的孕育期、初生期、調(diào)整期、穩(wěn)定期及衰弱期，并且渦核最初在渦流室左偏上的幾何位置形成，逐漸運動到靠近渦流室?guī)缀沃行奈恢谩?/p>

2.在渦流發(fā)展的過程中，相比于單通道渦流室式風(fēng)冷柴油機，雙通道渦流室式柴油機渦流室內(nèi)整體氣體流速略低，但是雙通道渦流室式柴油機渦流室內(nèi)沒有形成完整的反向渦流，以及渦流室內(nèi)渦流運動整體氣體流速相差較小，分布比較均勻，渦流耗散小。

3.隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化，起初氣缸內(nèi)壓力大于渦流室內(nèi)壓力，氣缸內(nèi)氣體逐漸被擠壓進(jìn)入渦流室，渦流室內(nèi)壓力逐漸增大，渦流室內(nèi)渦流逐漸形成，渦流運動中心區(qū)域壓力最低，渦流室近壁面處壓力較高，其中渦流室內(nèi)氣體運動拐角處壓力最高。

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