雙進(jìn)氣道柴油機(jī)絲線法可視化穩(wěn)流測(cè)試及缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)特性分析*

張 韋，趙羅鋒，陳朝輝，蔣倩昱，鄒 超

（昆明理工大學(xué)，云南省內(nèi)燃機(jī)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500）

前言

進(jìn)氣道是內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣流量［1］、進(jìn)氣流速［2］和進(jìn)氣結(jié)構(gòu)［3］都有直接影響。同時(shí)進(jìn)氣道系統(tǒng)進(jìn)氣效率對(duì)降低燃油消耗率［4］和污染物排放［5］起關(guān)鍵性作用。

目前，就多進(jìn)氣道柴油機(jī)的氣缸內(nèi)的流場(chǎng)研究來看，研究人員利用激光多普勒風(fēng)速儀（LDA）［6］、熱線風(fēng)速儀（HWA）［7］和粒子圖像測(cè)速儀（PIV）［8］等儀器可測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)湍流強(qiáng)度［9］、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和進(jìn)氣渦流演化過程［10］等。但對(duì)缸內(nèi)近壁面流場(chǎng)研究相對(duì)較少。缸內(nèi)的壁面淬熄效應(yīng)會(huì)在氣缸壁面形成厚約0.1～0.2 mm左右的不燃燒或不完全燃燒的淬熄層。尤其在起動(dòng)和怠速時(shí)，燃燒室壁面溫度較低，致使壁面淬熄效應(yīng)產(chǎn)生的HC可占到排氣管排放HC的30%～50%。目前大多數(shù)柴油機(jī)采用高壓噴射系統(tǒng)，使噴射的燃料撞擊氣缸壁面和燃燒室壁面頻率增大［11］，最終燃料形成液膜并在氣缸中形成不完全燃燒的混合物［12］。因此，對(duì)氣缸內(nèi)近壁面氣流運(yùn)動(dòng)研究更為重要。

空氣在進(jìn)氣道 氣缸內(nèi)的流動(dòng)特性很難直接觀測(cè)，而流動(dòng)顯示是借助物理或化學(xué)的手段使模型的某些流動(dòng)特征以畫面形式顯示出來的試驗(yàn)方法［13］。本文中通過絲線法來獲取氣缸近壁面氣流流動(dòng)特性。將絲線粘貼在氣缸的內(nèi)壁面上，由絲線的運(yùn)動(dòng)特征判斷氣缸內(nèi)近壁面氣流的運(yùn)動(dòng)情況。研究柴油機(jī)氣缸近壁面氣流運(yùn)動(dòng)狀況，須將經(jīng)除靜電處理后的絲線一端粘貼在可視化的氣缸內(nèi)壁面上，另一端懸空，呈自由狀態(tài)，進(jìn)行氣缸軸向、徑向的等間距粘貼。

課題組以配備切向、螺旋的雙進(jìn)氣道的D19型高壓共軌柴油機(jī)為研究對(duì)象，通過3D打印進(jìn)氣道芯盒，以AVL定壓差法結(jié)合絲線法，進(jìn)行氣道可視化穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)，對(duì)氣缸內(nèi)壁面所布設(shè)氣流測(cè)試絲線進(jìn)行拍攝，結(jié)合CFD模擬，表明氣缸近壁面絲線運(yùn)動(dòng)能較好地驗(yàn)證氣缸近壁面氣流運(yùn)動(dòng)。最后利用CFD對(duì)雙氣道柴油機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 絲線法可視化氣道穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建與測(cè)試方案設(shè)計(jì)

1.1 絲線法可視化氣道穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建

本文中以D19直列、四缸、增壓中冷高壓共軌柴油機(jī)為研究機(jī)型，發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。根據(jù)AVL氣道評(píng)價(jià)方法，搭建可視化穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)量各個(gè)氣門升程條件下氣道的流通能力和氣缸內(nèi)的渦流比，如圖1所示。

利用CAD軟件構(gòu)建D19氣道模型，包括螺旋氣道、切向氣道、氣門和氣門座。導(dǎo)入到Converge軟件，對(duì)氣缸和進(jìn)氣道部分的網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格加密，對(duì)氣門、氣門座和氣缸壁面進(jìn)行固定網(wǎng)格加密，穩(wěn)流計(jì)算網(wǎng)格模型如圖2所示。氣缸內(nèi)壁面模型采用Amsden-O’Rourke，并設(shè)置邊界條件，如表 2所示。將D19氣道模型導(dǎo)入3D打印機(jī)，打印D19氣道芯盒。

以AVL評(píng)價(jià)氣道的指標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，主要參數(shù)為無量綱的流量系數(shù)μσ和渦流比SR。

表1 D19發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖2 D19穩(wěn)流計(jì)算網(wǎng)格模型

表2 穩(wěn)態(tài)模擬邊界條件

流量系數(shù)μσ為

式中：m·actual為實(shí)際進(jìn)氣質(zhì)量，kg/s；m·theo為理論進(jìn)氣質(zhì)量，kg/s。

渦流比SR為

式中：nD為葉輪風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速，r/min；n為發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬轉(zhuǎn)速，r/min；ρ為空氣密度；A為氣缸截面積，m2；S為氣缸沖程，m；m·為實(shí)驗(yàn)中測(cè)得空氣的質(zhì)量流量，kg/s。

圖3和圖4分別為不同的氣門升程條件下，流量系數(shù)μσ和渦流比SR的穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值模擬值對(duì)比。隨著氣門升程增大，流量系數(shù)和渦流比不斷增加，實(shí)驗(yàn)值和模擬值呈現(xiàn)較好的一致性，證明本文所構(gòu)建的CFD模型滿足仿真需求。

1.2 絲線法可視化氣道穩(wěn)流測(cè)試方案

圖3 流量系數(shù)隨氣門升程的變化

圖4 渦流比隨氣門升程的變化

圖5 絲線可視化穩(wěn)流測(cè)試拍攝方案

圖5 示出絲線可視化穩(wěn)流測(cè)試拍攝方案。由圖5（a）可見，從缸蓋底開始，沿氣缸中軸線向下進(jìn)行分層鋪設(shè)，每層絲線的間距為20 mm，共布設(shè)5層絲線；每層絲線沿缸壁圓周均勻分布，間距為15°，共布設(shè)24根絲線，整個(gè)氣缸總共粘貼120根絲線。由圖5（b）可見，將氣缸所對(duì)應(yīng)朝向發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管側(cè)、切向氣道側(cè)、排氣管側(cè)、螺旋氣道側(cè)4個(gè)方向定義為拍攝方向。由圖5（c）可見，以進(jìn)氣管側(cè)正面為第1次拍攝，正對(duì)每個(gè)拍攝方向的徑向40°扇面的氣缸內(nèi)壁面范圍，進(jìn)行9次拍攝，以獲取整個(gè)氣缸的周向完整內(nèi)壁面畫面，逆時(shí)針方向拍攝9次。

分別調(diào)節(jié)進(jìn)氣門升程在2/3氣門升程（8 mm）和最大氣門升程（12 mm）進(jìn)行穩(wěn)流測(cè)試?？刂乒娘L(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)進(jìn)入氣缸的進(jìn)氣量，使穩(wěn)壓箱出口處與大氣的壓差達(dá)到2.5 kPa，以保證充分的湍流流動(dòng)。穩(wěn)流測(cè)試方案如表3所示。在穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)過程中，須保持缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定，在確保內(nèi)壁面的絲線隨氣流運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，才能進(jìn)行拍照。

表3 穩(wěn)流測(cè)試方案

2 雙氣道柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)CFD計(jì)算與可視化實(shí)驗(yàn)

將拍攝的9張氣缸近壁面絲線運(yùn)動(dòng)圖，按照逆時(shí)針方向展開，將近壁面的絲線運(yùn)動(dòng)拼合為連續(xù)變化的一個(gè)整體，即將氣缸圓柱壁面展開成矩形平面。同時(shí)將CFD模擬氣缸近壁面流場(chǎng)的圓柱面，也展開成位置與可視化研究完全對(duì)應(yīng)的矩形平面。為了準(zhǔn)確對(duì)比可視化研究與CFD模擬之間的關(guān)系，需構(gòu)建兩者統(tǒng)一的坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)從左至右以拍攝順序0°～360°，縱坐標(biāo)從氣缸蓋到燃燒室為0～80 mm，這樣能夠準(zhǔn)確定位每條絲線，并將其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與氣流流動(dòng)特性進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6～圖9所示。

2.1 8 mm氣門升程缸內(nèi)近壁面流動(dòng)特性分析

圖6 8 mm氣門升程氣缸近壁面氣流流場(chǎng)

圖7 8 mm氣門升程氣缸近壁面絲線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

圖8 12 mm氣門升程氣缸近壁面氣流流場(chǎng)

圖9 12 mm氣門升程氣缸近壁面絲線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

圖6 和圖7分別為8 mm氣門升程時(shí)氣缸近壁面的氣流流場(chǎng)和絲線運(yùn)動(dòng)。由圖可見，在進(jìn)氣管側(cè)的氣缸近壁面氣流流場(chǎng)和絲線擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)一致性好。進(jìn)氣管側(cè)壁面流場(chǎng)主要由螺旋氣道產(chǎn)生繞氣缸軸線的渦流運(yùn)動(dòng)，氣流在渦流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向下出現(xiàn)序號(hào)1現(xiàn)象；在切向氣道側(cè)的近壁面流場(chǎng)中，主要是切向氣道內(nèi)氣流進(jìn)入氣缸內(nèi)時(shí)，一部分氣流撞擊在進(jìn)氣門背面，反向撞擊到飛輪側(cè)的氣缸壁面。另一部分氣流沿氣缸壁面進(jìn)入氣缸，并得到螺旋氣道的氣流加強(qiáng)。因此產(chǎn)生序號(hào)2現(xiàn)象，絲線擺動(dòng)角度最大值為110°；在排氣管側(cè)，氣缸壁面流場(chǎng)受到切向氣道和螺旋氣道內(nèi)的氣流共同作用。切向氣道內(nèi)氣流進(jìn)入氣缸并撞擊在排氣管側(cè)壁面，氣流運(yùn)動(dòng)方向與螺旋氣道產(chǎn)生的渦流運(yùn)動(dòng)相同，但在排氣管側(cè)的流場(chǎng)方向與渦流運(yùn)動(dòng)方向相反，因此排氣管側(cè)壁面流場(chǎng)和絲線擺動(dòng)減弱；在螺旋氣道側(cè)，主要是螺旋氣道起主導(dǎo)作用，但由于渦流運(yùn)動(dòng)，在螺旋氣道側(cè)壁面流場(chǎng)為渦流運(yùn)動(dòng)方向。產(chǎn)生序號(hào)3和4現(xiàn)象。

2.2 12 mm氣門升程缸內(nèi)近壁面流動(dòng)特性分析

圖8和圖9分別為12 mm氣門升程時(shí)氣缸近壁面的氣流流場(chǎng)和絲線運(yùn)動(dòng)。由圖可見：在進(jìn)氣管側(cè)，由于螺旋氣道內(nèi)的氣流以氣缸軸線形成渦流運(yùn)動(dòng)，近壁面流場(chǎng)相對(duì)氣門升程為8 mm時(shí)減弱，絲線擺動(dòng)角度也變小，如序號(hào)1所示；在切向氣道側(cè)，氣流經(jīng)過切向氣道進(jìn)入氣缸并受到渦流運(yùn)動(dòng)的影響，絲線的擺動(dòng)角度最大，最大值為90°，如序號(hào)2所示；在排氣管側(cè)，由于切向氣道內(nèi)氣流正向切向流入缸內(nèi)，并撞擊在排氣管側(cè)壁面，同時(shí)排氣管側(cè)壁面受到渦流運(yùn)動(dòng)影響，使得排氣管側(cè)壁面流場(chǎng)得到加強(qiáng)，也使得絲線擺動(dòng)角度增加，如序號(hào)3所示；在螺旋氣道側(cè)，主要是螺旋氣道起主導(dǎo)作用，由于氣門升程增大，使得螺旋氣道側(cè)近壁面流場(chǎng)增大，但受到渦流運(yùn)動(dòng)影響，在螺旋氣道側(cè)近壁面流場(chǎng)及絲線擺動(dòng)出現(xiàn)如序號(hào)4和5的現(xiàn)象。

2.3 絲線擺動(dòng)角與渦流比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的絲線擺動(dòng)角度（以逆時(shí)針擺動(dòng)為正）求出氣缸近壁面每層絲線擺動(dòng)角度的平均值φA。通過AVL的葉輪風(fēng)速儀測(cè)試對(duì)應(yīng)絲線所在的每層渦流比值SR。對(duì)氣門升程為2/3氣門升程8 mm和最大氣門升程12 mm測(cè)試，實(shí)驗(yàn)值如表4所示。

圖10為每層絲線擺動(dòng)的平均角度φA。在氣缸蓋底面處，絲線擺動(dòng)平均角度達(dá)到φA最大值，最大氣門升程（12 mm）時(shí)，絲線擺動(dòng)平均角度為35.7°，2/3氣門升程（8 mm）時(shí)，絲線擺動(dòng)平均角度為33.4°。在靠近氣缸蓋時(shí)，氣流會(huì)在氣缸中心軸線產(chǎn)生逆時(shí)針的大渦流，導(dǎo)致靠近氣缸蓋的絲線擺動(dòng)角度最大；在遠(yuǎn)離氣缸蓋時(shí)，由于氣缸內(nèi)的進(jìn)氣渦流向氣缸中心軸線流動(dòng)，導(dǎo)致遠(yuǎn)離氣缸蓋的絲線擺動(dòng)角度減小。

表4 絲線擺動(dòng)角度與渦流比實(shí)驗(yàn)

圖10 氣缸蓋以下每層絲線擺動(dòng)角度圖

圖11 為每層絲線所在位置的渦流比SR。在氣缸蓋底面以下60 mm時(shí)，渦流比SR出現(xiàn)最大值，最大氣門升程（12 mm）時(shí)，渦流比SR為1.82；2/3氣門升程（8 mm）時(shí)，渦流比SR為1.78。

圖11 氣缸蓋以下每層絲線所在位置的渦流比圖

2.4 雙氣道柴油機(jī)瞬態(tài)流場(chǎng)CFD計(jì)算與驗(yàn)證

使用UG構(gòu)建D19發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸實(shí)體模型，如圖12所示，在CONVERGE軟件中導(dǎo)入幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到網(wǎng)格模型，如圖13所示。瞬態(tài)計(jì)算使用的進(jìn)氣道與穩(wěn)態(tài)計(jì)算相同，以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)處于被“拖轉(zhuǎn)”狀態(tài)下缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)。

圖12 三維實(shí)體模型

圖13 計(jì)算網(wǎng)格模型

圖14 為雙氣道柴油機(jī)瞬態(tài)流場(chǎng)近壁面速度場(chǎng)圖。以進(jìn)氣管側(cè)、切向氣道側(cè)、排氣管側(cè)、螺旋氣道側(cè)，做8和12 mm氣門升程的氣缸近壁面流場(chǎng)切片圖。由圖可知：氣流在進(jìn)氣管側(cè)和切向氣道側(cè)都形成一條氣流分界線，與穩(wěn)流條件下的絲線運(yùn)動(dòng)情況相同；氣流在螺旋氣道側(cè)受到切向氣道側(cè)的逆時(shí)針氣流與螺旋氣道順時(shí)針氣流共同作用，在氣門升程12 mm時(shí)刻，左邊氣流順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，中間氣流豎直向下，右邊氣流逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)。證明本文中所構(gòu)建的瞬態(tài)CFD模型能正確反映穩(wěn)態(tài)近壁面絲線運(yùn)動(dòng)情況。

圖14 雙氣道柴油機(jī)瞬態(tài)流場(chǎng)近壁面速度場(chǎng)圖

3 雙氣道柴油機(jī)缸內(nèi)流場(chǎng)分析

3.1 穩(wěn)態(tài)分析

穩(wěn)態(tài)分析使用圖2的計(jì)算模型。氣門全開時(shí)缸內(nèi)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的垂直速度和水平速度分布分別如圖15和圖16所示。由圖可見：進(jìn)氣流量分別在螺旋氣道側(cè)以環(huán)形射流的形式進(jìn)入氣缸，并在氣門閥下形成一個(gè)循環(huán)中心；而在切向氣道側(cè)則以切向氣道正面流入氣缸，并在排氣管側(cè)撞擊氣缸壁面，產(chǎn)生一部分氣流逆時(shí)針向氣缸蓋流動(dòng)，另一部分順著氣缸壁面豎直向下流動(dòng)。在缸內(nèi)水平速度分布表面，缸內(nèi)的角動(dòng)量是由螺旋氣道的螺旋段形成的并流入氣缸，見圖16中（Z1）。角動(dòng)量與通過撞擊氣缸壁的進(jìn)氣氣流在氣缸中產(chǎn)生的角動(dòng)量相結(jié)合，沿氣缸中軸線圓周切向地改變方向。由于與氣缸壁的相互作用，產(chǎn)生了兩個(gè)相反的渦旋運(yùn)動(dòng)，并且存在一些復(fù)雜性，見圖16中（Z2）。在底部出口處，兩個(gè)相對(duì)的旋渦運(yùn)動(dòng)合并成一個(gè)渦流，見圖16中（Z3）。

3.2 瞬態(tài)分析

圖15 氣門全開時(shí)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)缸內(nèi)的垂直速度分布

圖16 氣門全開時(shí)缸內(nèi)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的水平速度分布

瞬態(tài)分析使用圖13的計(jì)算模型，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)被拖轉(zhuǎn)狀態(tài)下缸內(nèi)瞬態(tài)氣流的流動(dòng)。使用的進(jìn)氣道與穩(wěn)態(tài)計(jì)算一致。進(jìn)出口的壓力邊界條件都為2.5 kPa。

圖17和圖18分別為缸內(nèi)瞬態(tài)氣流的垂向和水平速度分布。由圖17可見：垂向速度分布類似穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的情況；隨著活塞運(yùn)行速度加快，缸內(nèi)流速增加。由圖17（a）可見：在315°CA BTDC形成強(qiáng)烈的進(jìn)氣射流；在氣門閥下方出現(xiàn)循環(huán)滾流，同時(shí)存在復(fù)雜的氣流運(yùn)動(dòng)；在190°CA BTDC時(shí)，活塞處于向上運(yùn)動(dòng)，但由于進(jìn)氣口與氣缸之間存在壓差，空氣繼續(xù)進(jìn)入氣缸；在120°CA BTDC之后，氣缸內(nèi)氣流出現(xiàn)逆流現(xiàn)象。

由圖18（a）可見：在進(jìn)氣沖程開始時(shí)，缸內(nèi)的水平速度分量不包含很大的角動(dòng)量，因?yàn)樵诼菪龤獾乐?，氣流沒有經(jīng)過完整的流動(dòng)路徑；氣流圍繞著氣門周圍向外運(yùn)動(dòng)進(jìn)入氣缸；在240°CA BTDC時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)單一的主渦流運(yùn)動(dòng)，并伴隨有多個(gè)小渦流中心；在190°CA BTDC和 120°CA BTDC時(shí)，缸內(nèi)的渦流運(yùn)動(dòng)變成一個(gè)單一的主渦流，其渦流中心由螺旋氣道側(cè)轉(zhuǎn)向氣缸中心運(yùn)動(dòng)。

圖17 缸內(nèi)瞬態(tài)氣流垂直速度分布

三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)可能有所不同，但穩(wěn)態(tài)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)和瞬態(tài)流動(dòng)計(jì)算結(jié)果具有可比性。在定壓流場(chǎng)條件下，采用渦流比測(cè)量方法可預(yù)測(cè)瞬態(tài)計(jì)算的渦流比。在較大氣門升程時(shí)，軸向速度分布不均勻。在瞬態(tài)計(jì)算中，活塞不影響渦流比，但它可能產(chǎn)生滾流運(yùn)動(dòng)，這取決于進(jìn)氣閥的位置和數(shù)量。雖然滾流運(yùn)動(dòng)比渦流運(yùn)動(dòng)衰減得更快，但它能保留到壓縮沖程，直到壓縮上止點(diǎn)。滾流運(yùn)動(dòng)不太可能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)性能相關(guān)的流動(dòng)特性產(chǎn)生顯著影響。缸內(nèi)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)存在渦流和滾流運(yùn)動(dòng)，但很快合并成單一的渦流運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

圖18 缸內(nèi)瞬態(tài)氣流水平速度分布

（1）以穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)方法，結(jié)合絲線法來研究固定氣門升程的氣缸近壁面穩(wěn)態(tài)氣流運(yùn)動(dòng)狀況，結(jié)合CFD流動(dòng)計(jì)算，表明絲線法能有效反映缸內(nèi)近壁面氣體運(yùn)動(dòng)狀況。

（2）在可視化穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺(tái)的近壁面絲線顯示法實(shí)驗(yàn)中，氣缸近壁面絲線運(yùn)動(dòng)方向受到螺旋氣道產(chǎn)生的渦流作用，使絲線運(yùn)動(dòng)方向與渦流方向一致。在切向氣道側(cè)近壁面流場(chǎng)受到切向氣道內(nèi)氣流影響，同時(shí)在渦流運(yùn)動(dòng)的共同作用下，切向氣道側(cè)近壁面速度場(chǎng)最大，使得此處的絲線擺動(dòng)角度最大，氣門升程為8和12 mm時(shí)，絲線擺動(dòng)角度分別為110°和90°。

（3）缸內(nèi)瞬態(tài)流場(chǎng)存在渦流和滾流運(yùn)動(dòng)，但很快合并成單一的渦流運(yùn)動(dòng)。