基于CFD的仿生非光滑表面柴油機螺旋進氣道對進氣過程質(zhì)量流率的影響分析

王海洲， 沙學(xué)鋒， 鄒家平

（1.吉林大學(xué)交通學(xué)院，吉林長春 130022；2.裝甲兵技術(shù)學(xué)院機械工程系，吉林長春 130117）

0 引 言

在柴油機工作過程中，進氣質(zhì)量是影響其性能的重要條件之一。在這一過程中，進氣道流通特性的好壞對氣缸內(nèi)空氣的運動狀態(tài)、燃料的霧化效果、燃料與空氣的混合程度和燃燒過程產(chǎn)生重要的影響［1］，最終影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性及排放性［2］。國內(nèi)外學(xué)者主要通過對進氣道的外形結(jié)構(gòu)、截面尺寸以及進氣道的排列布置對缸內(nèi)氣體的運動狀態(tài)進行研究［3－4］，通過傳統(tǒng)的穩(wěn)流試驗得出結(jié)論，但并不能充分反映發(fā)動機工作時進氣道瞬態(tài)空氣的運動狀態(tài)［5］。

近幾年，仿生非光滑表面的應(yīng)用以其特有的減阻效果被人們所重視，并在生產(chǎn)實踐中得到廣泛應(yīng)用，如具有“鯊魚皮表面”的泳衣，可以減小7%的阻力，從而提高運動員的速度，高爾夫球凹坑表面設(shè)計減小了表面的阻力系數(shù)，從而使球體飛的更遠等［6－7］。因此，文中提出將仿生非光滑表面應(yīng)用于柴油機螺旋進氣道內(nèi)表面，將兩者相結(jié)合來改善進氣質(zhì)量。通過fluent軟件，利用動網(wǎng)格技術(shù)進行瞬態(tài)CFD數(shù)值模擬，分析其對缸內(nèi)氣體質(zhì)量流率以及缸內(nèi)空氣流速的影響，驗證其對進氣道流通特性的影響。

1 仿生非光滑表面進氣道模型建立

1.1 仿生非光滑單元體的尺寸設(shè)計

仿生非光滑表面的減阻通過破壞邊界層的內(nèi)部流動，控制邊界層對湍動能的影響，減小速度梯度對邊界層內(nèi)空氣流速的影響和能量的損失，進而提高了進氣道軸線處即核心區(qū)域的流速，邊界層厚度計算公式［8］為：

式中：d——進氣道直徑；

Re——雷諾系數(shù)；

λ——沿程阻力系數(shù)；

v——流體速度；

ν——流體的運動黏度；

D——氣缸直徑；

S——活塞行程；

n——發(fā)動機轉(zhuǎn)速；

S1——進氣道進口處的截面積。

根據(jù)計算，文中選用單元體尺寸直徑為4 mm，深度為1 mm的凹坑和凸包。

1.2 進氣道模型的建立

采用柴油機螺旋進氣道模型，其原型為一汽－大柴發(fā)動機，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 一汽－大柴柴油發(fā)動機參數(shù)

通過catia軟件對柴油機螺旋進氣道進行三維建模，選取發(fā)動機氣門為6，8，10 mm 3個升程。通過對仿生非光滑表面相關(guān)文獻的研究和計算，選取凸包、凹坑兩種減阻效果較好的仿生單元體，將其與原進氣道模型相結(jié)合，如圖1所示。

圖1 3種表面進氣道三維模型的建立

2 動網(wǎng)格劃分方法

動網(wǎng)格模型是在每一個時間步迭代之前，根據(jù)邊界或物體的運動、變形更新和重新構(gòu)建計算域的網(wǎng)格，從而達到計算各種非定常流體與固體的耦合、計算域隨時間變化的問題。

2.1 動網(wǎng)格技術(shù)的優(yōu)點

進氣道穩(wěn)態(tài)CFD數(shù)值模擬在柴油機進氣道優(yōu)化設(shè)計過程中得到了廣泛的應(yīng)用，但實際工作的進氣過程是一個瞬態(tài)的過程，柴油機的活塞和氣門時刻保持著運動狀態(tài)，且氣缸的工作容積也在不停的變化，只考慮穩(wěn)態(tài)的進氣過程并不能充分反映進氣道和缸內(nèi)氣體的運動情況。相比于進氣道穩(wěn)態(tài)CFD分析，動網(wǎng)格技術(shù)具有更好的幾何靈活性；通過控制網(wǎng)格尺寸變化來模擬運動過程；通過自適應(yīng)加密和劃分網(wǎng)格以進行數(shù)值模擬分析，從而更真實地反映進氣過程中由于氣門的運動對進氣道和缸內(nèi)氣體流動的影響。

2.2 動網(wǎng)格控制方程

應(yīng)用動網(wǎng)格模擬柴油機工作時氣缸邊界發(fā)生位移的動態(tài)效果，采用動網(wǎng)格守恒方程進行求解［9］，其控制方程為：

其中，時間導(dǎo)出項用一節(jié)向后差分格式表示為：

時間導(dǎo)數(shù)為：

式中：ρ——密度；

U——速度向量；

Uδ——動網(wǎng)格位移速度；

?！獢U散系數(shù)；

n——時間層；

nf——控制體面積；

Aj——面積向量。

2.3 計算網(wǎng)格生成

使用gambit軟件對原模型和擁有凹坑、凸包非光滑表面的進氣道模型進行網(wǎng)格劃分，為了保證網(wǎng)格劃分質(zhì)量和實驗精度要求，設(shè)置網(wǎng)格最小尺寸為1.2 mm；按照動網(wǎng)格劃分要求，對進氣道部分和氣缸上部采用四面體網(wǎng)格進行劃分，活塞運動掃過的氣缸部分采用六面體進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 進氣道模型的網(wǎng)格劃分

3 進氣道進氣過程瞬態(tài)模擬及數(shù)值分析

3.1 fluent邊界條件的設(shè)置

在fluent軟件中設(shè)置流體狀態(tài)為非穩(wěn)態(tài)，流體為理想氣體，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為湍流方程；進氣道入口設(shè)置為inlet；邊界條件為壓力入口，壓力為99 350 Pa；固體壁面邊界設(shè)置為絕熱；在動網(wǎng)格劃分方法中選用彈性平滑方法、動態(tài)分層方法、局部重畫法；發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)數(shù)選取1 000，1 500，2 000，2 500 r／min；參照氣門升程的參數(shù)設(shè)置進氣過程的曲軸轉(zhuǎn)角；沖程和曲柄連桿的長度及相關(guān)參數(shù)根據(jù)發(fā)動機實際參數(shù)進行設(shè)置。

3.2 進氣道出口處截面速度分析

從CFD的運行結(jié)果來看，進氣道內(nèi)的空氣流速一直呈增長趨勢，其主要原因，一方面為進氣道的前后段壓差不同產(chǎn)生了加速作用，另一方面因為進氣道截面面積變化較大，出口截面相比于進口面積縮小，促使了氣流的加速運動；在螺旋氣道中，流速從螺旋上部向出口方向逐漸增大，由于斜坡面拐向出口，速度矢量逐漸增大。在出口處繞氣門軸線做螺旋運動，經(jīng)過氣門開啟截面后，氣體以旋轉(zhuǎn)錐形進入氣缸，氣流在氣門外緣處分離。由于氣門下面存在回流區(qū)，且進入氣缸的空氣不斷地與缸壁發(fā)生碰撞，導(dǎo)致缸內(nèi)速度分布不均勻。但隨著氣流的向下運動和流速的逐漸平穩(wěn)，不均勻程度逐漸改善。

發(fā)動機在4種轉(zhuǎn)速下，原模型與帶有仿生非光滑表面的進氣道模型在進氣道出口處的最大速度見表2～表5。

表2 發(fā)動機1 000 r／min時進氣道出口處最大速度m／s

表3 發(fā)動機1 500 r／min時進氣道出口處最大速度m／s

表4 發(fā)動機2 000 r／min時進氣道出口處最大速度m／s

表5 發(fā)動機2 500 r／min時進氣道出口處最大速度m／s

從分析可以看出，相比于原進氣道模型，帶有仿生非光滑表面的進氣道改善了進氣道內(nèi)氣體的運動狀態(tài)，同時提高了進入氣缸內(nèi)空氣的運動速度，且凸包模型對速度的提高影響較大。相比于帶有凸包表面的進氣道模型，由于仿生單元體尺寸選取的局限性影響，凹坑模型僅在一定的氣門升程下，提高了進氣道內(nèi)氣體的速度。

發(fā)動機工作在2 000 r／min時，氣門升程分別在6 mm，8 mm，10 mm下，不同模型的缸內(nèi)氣體運動的速度云圖如圖3～圖5所示。

圖3 氣門升程6 mm時3種模型進氣過程的速度云圖

圖4 氣門升程為8 mm時3種模型進氣過程的速度云圖

圖5 氣門升程為10 mm時3種模型進氣過程的速度云圖

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，帶有仿生非光滑表面的進氣道顯著地提高了缸內(nèi)氣體的運動速度，改善了缸內(nèi)氣體的運動狀態(tài)。

3.3 進氣道截面處質(zhì)量流率分析

通過分析在Y＝5 mm氣缸截面處的質(zhì)量流率發(fā)現(xiàn)，在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，仿生非光滑表面進氣道對進入缸內(nèi)氣體的質(zhì)量流率都有提升，見表6～表9。

表6 發(fā)動機1 000 r／min時Y＝5 mm處氣缸截面處的質(zhì)量流率 kg／s

表7 發(fā)動機1 500 r／min時Y＝5 mm處氣缸截面處的質(zhì)量流率 kg／s

表8 發(fā)動機2 000 r／min時Y＝5 mm處氣缸截面處的質(zhì)量流率 kg／s

表9 發(fā)動機2 500 r／min時Y＝5 mm處氣缸截面處的質(zhì)量流率 kg／s

帶有凹坑表面的進氣道，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 300 r／min時，對質(zhì)量流率的提升達到了0.89%，相比于帶有凸包表面的進氣道，其提升效果不明顯。在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 000 r／min時，凸包模型的提升幅度達到了8.64%，且在各個轉(zhuǎn)速下的提升效果均為明顯。其主要原因為當(dāng)氣流流過凸包表面時，凸包單元體之間相互影響，凸包表面邊界層對進氣道內(nèi)的氣流產(chǎn)生了分離作用，有效控制了動量交換過程。但在仿真模擬的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進氣道入口處空氣流速較低時，由于仿生單元體的結(jié)構(gòu)特點，低速空氣與凸包模型入口處的凸起部分接觸產(chǎn)生回流，最終導(dǎo)致出口處的質(zhì)量流率降低。

4 結(jié) 語

根據(jù)仿生非光滑表面減阻的原理，選取了凹坑和凸包兩組仿生單元體將其與柴油機螺旋進氣道結(jié)合，通過動網(wǎng)格技術(shù)和CFD數(shù)值模擬，分析其對進氣流速和質(zhì)量流率的影響，得出以下結(jié)論：

1）通過動網(wǎng)格技術(shù)模擬發(fā)動機2 000 r／min時的瞬態(tài)工況，在同氣門開度下，仿生非光滑表面可以提高進氣流速和質(zhì)量流率。

2）仿生非光滑表面對進氣道內(nèi)氣體的運動速度和質(zhì)量流率，受單元體的選型和氣門升程的大小影響較大。

3）相比于原進氣道模型帶有凸包的進氣道模型在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，在氣門升程為6 mm和10 mm時，對進氣流速和質(zhì)量流率有顯著的提高。

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