提高汽油機(jī)氣道流動(dòng)仿真精度的分析

關(guān)鍵詞：氣道；流動(dòng)仿真；精度；流量系數(shù)；湍流比

0前言

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)良好的氣流組織對(duì)提升燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和降低排放都有顯著的作用。進(jìn)氣道是組織發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)決定空氣進(jìn)入氣缸后的流動(dòng)狀態(tài)，直接影響油氣混合及燃燒效率。因此進(jìn)氣道開(kāi)發(fā)是發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵項(xiàng)目。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的快速發(fā)展，當(dāng)前普遍采用仿真計(jì)算及試驗(yàn)驗(yàn)證的方法來(lái)指導(dǎo)氣道設(shè)計(jì)。OLIVER 等［1］對(duì)某汽油缸內(nèi)直噴（GDI）發(fā)動(dòng)機(jī)氣道進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算，通過(guò)仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性，同時(shí)研究了缸內(nèi)湍流的特征和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。ADOMEIT 等［2-3］采用CFD 仿真計(jì)算對(duì)氣道進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，并研究了氣道對(duì)汽油機(jī)燃燒性能的影響。樓狄明等［4］利用穩(wěn)態(tài)氣道試驗(yàn)臺(tái)架和三維仿真工具，研究了不同結(jié)構(gòu)進(jìn)氣道對(duì)缸內(nèi)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)湍流強(qiáng)度和燃燒性能的影響。陳旗奇等［5］通過(guò)氣道穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動(dòng)分析優(yōu)化了氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

以上諸多研究主要集中在利用氣道流動(dòng)CFD仿真或氣道試驗(yàn)方法進(jìn)行氣道結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化，對(duì)氣道流動(dòng)仿真精度關(guān)注較少，關(guān)于仿真軟件中不同參數(shù)的敏感性影響鮮有研究。如果仿真與試驗(yàn)差異較大，勢(shì)必影響甚至誤導(dǎo)氣道的優(yōu)化設(shè)計(jì)，直接影響整機(jī)性能［6］。因此，提高氣道仿真精度意義重大，需要重點(diǎn)研究。本文基于StarCCM+流體分析軟件對(duì)影響氣道仿真精度的多因素進(jìn)行了大量計(jì)算，并與粒子圖像速度場(chǎng)儀（PIV）試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，探索出一套合理的CFD 仿真參數(shù)和計(jì)算方法，得以精確預(yù)測(cè)氣道流動(dòng)性能。

1 氣道流動(dòng)仿真

1. 1 網(wǎng)格生成

本文采用StarCCM+ 流體分析軟件進(jìn)行氣道流動(dòng)仿真計(jì)算，幾何模型一般包括進(jìn)氣道、進(jìn)氣門(mén)、氣門(mén)座圈、缸蓋燃燒室以及模擬缸套等部件。為保證模擬精度，進(jìn)口采用半球形狀，模擬大氣環(huán)境，如圖1 所示。

1. 2 數(shù)值計(jì)算方法及邊界條件設(shè)置

進(jìn)氣道流動(dòng)分析的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程和氣體狀態(tài)方程。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k- ε 模型；離散方程組的壓力和速度耦合采用SIMPLE 算法；空間網(wǎng)格采用二階混合差分格式。固定壁面邊界采用絕熱無(wú)滑移，壁面溫度300 K。采用壁面函數(shù)對(duì)邊界層進(jìn)行處理。與氣道試驗(yàn)類似，進(jìn)、出口采用定壓差（3.43 kPa）設(shè)定。高壓差下氣流的雷諾數(shù)較高，以紊流狀態(tài)進(jìn)入氣道和缸內(nèi)。研究表明，當(dāng)超過(guò)一定的氣道壓差，氣道的流量系數(shù)、湍流比在不同壓差下的試驗(yàn)結(jié)果基本一致，因此采用變壓差方法可以大量縮短試驗(yàn)時(shí)間。由于氣體流速遠(yuǎn)低于聲速，計(jì)算采用常密度空氣進(jìn)行。

1. 3 流量系數(shù)及湍流比計(jì)算方法

計(jì)算總共包括8 個(gè)氣門(mén)升程（1～8 mm）下的流量系數(shù)和湍流比，再進(jìn)行積分計(jì)算平均流量系數(shù)和湍流比。圖2 為氣道湍流比計(jì)算方法，流量系數(shù)計(jì)算以氣門(mén)座圈內(nèi)徑為參考直徑，湍流比在0.5 倍的缸徑上進(jìn)行計(jì)算。流量系數(shù)、湍流比和渦流比的計(jì)算公式為：

2 PIV 試驗(yàn)設(shè)備及原理

氣道試驗(yàn)有Ricardo 蜂窩動(dòng)量計(jì)及FEV 葉片式等宏觀評(píng)價(jià)方法，這些測(cè)試方式本身帶有一定阻力，會(huì)造成能量的損失，從而影響到缸內(nèi)氣流流動(dòng)。為了微觀評(píng)測(cè)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)能直觀地與仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行直接對(duì)比，本文采用PIV 進(jìn)行氣道試驗(yàn)。PIV 試驗(yàn)的設(shè)備主要由1 個(gè)激光發(fā)射器、2 個(gè)攝像頭、透明的光學(xué)模擬缸套及后處理計(jì)算機(jī)組成，如圖3 所示。PIV 試驗(yàn)通過(guò)抽風(fēng)，使空氣流經(jīng)氣道，通過(guò)采集示蹤粒子穿過(guò)在0.5 倍缸徑處監(jiān)測(cè)面激光留下的圖像，由計(jì)算軟件進(jìn)行該監(jiān)測(cè)面上的速度圖形的處理，結(jié)合流量計(jì)讀數(shù)，類似CFD 流動(dòng)仿真計(jì)算湍流比和流量系數(shù)。

3 仿真計(jì)算參數(shù)影響分析

3. 1 網(wǎng)格尺寸

本文采取網(wǎng)格尺寸為0.6 mm、1.0 mm、和2.0 mm3種方案研究不同網(wǎng)格參數(shù)對(duì)流通性能的影響。3 種方案的計(jì)算結(jié)果與PIV 試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如圖4、圖5所示。由圖4、圖5 可以看出：不同網(wǎng)格參數(shù)對(duì)流量系統(tǒng)的影響較小；不同網(wǎng)格尺寸的湍流比差異略大，總體上1.0 mm 方案更接近真實(shí)值，說(shuō)明網(wǎng)格尺寸對(duì)湍流比的影響較大。較大的網(wǎng)格難以捕捉幾何細(xì)節(jié)，易造成仿真的失真。較小的網(wǎng)格會(huì)增加網(wǎng)格之間信息傳遞誤差并耗費(fèi)大量計(jì)算資源，因而需要采用合適的網(wǎng)格尺寸以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。對(duì)幾何模型不規(guī)則且氣流變化較大的地方需要進(jìn)行加密處理。

3. 2 邊界層厚度

邊界層影響貼近壁面的流動(dòng)黏性力。邊界層由壁面函數(shù)來(lái)處理，邊界層厚度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致壁面黏性力難以捕捉，邊界層厚度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致邊界流速偏低。小氣門(mén)升程由于氣道喉口處較窄，需要減小邊界層厚度。本文對(duì)比了邊界層厚度為0.2 mm、0.4 mm 和0.8 mm 3種方案對(duì)氣道平均流通性能的影響，結(jié)果如圖6、圖7 所示。由圖6、圖7 可以看出：邊界層對(duì)流量系數(shù)和湍流比影響均較大，邊界層厚度為0.2 mm 的方案與PIV 試驗(yàn)結(jié)果更加吻合。

3. 3 粗糙度

不同的氣道材料影響氣道表面粗糙度，粗糙度過(guò)大會(huì)增加氣道流動(dòng)的沿程阻力，造成流動(dòng)能量損失，從而導(dǎo)致流量系數(shù)降低。本文研究了粗糙度分別為1 mm、5 mm 2 種方案，研究粗糙度對(duì)氣道平均流通性能影響，并與光滑壁面進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8、圖9 所示。

由圖8、圖9 可以看出：粗糙度越大，流量系數(shù)略有下降，粗糙度對(duì)湍流影響不大，總體上粗糙度在仿真計(jì)算中影響較小。

3. 4 入口形狀

對(duì)于氣道傾斜入口的形狀，需要延長(zhǎng)一段以保證氣流方向與氣道進(jìn)口方向一致，否則氣流將沿著氣道下部流入氣道，與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)氣道流動(dòng)偏離較大，對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，如圖10 所示。不同入口形狀氣道對(duì)各氣門(mén)升程下流通性能的影響如圖11、圖12 所示。

由圖11、圖12 可以看出：傾斜入口的流量系數(shù)低于垂直入口的流量系數(shù)；由于入口較氣道喉口較遠(yuǎn)，入口形狀對(duì)湍流影響較小。因此在進(jìn)行CFD穩(wěn)態(tài)流動(dòng)分析時(shí)應(yīng)該注意氣道入口幾何形狀以保證計(jì)算準(zhǔn)確。

3. 5 流動(dòng)仿真與PIV試驗(yàn)對(duì)比

由于流動(dòng)仿真的工況與PIV 試驗(yàn)計(jì)算的工況基本相同，因而CFD 仿真與PIV 試驗(yàn)有著較強(qiáng)的可比性。仿真計(jì)算中邊界層厚度設(shè)置為0.2 mm，面網(wǎng)格尺寸為1 mm，光滑壁面。仿真計(jì)算結(jié)果與PIV 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖13、圖14 所示。由圖13、圖14 可以看出：氣門(mén)升程在3 mm 以下，由于氣道喉口處湍流較強(qiáng)，CFD 仿真結(jié)果出現(xiàn)非對(duì)稱現(xiàn)象，與PIV 試驗(yàn)結(jié)果有一定差異；在中、高氣門(mén)升程的流場(chǎng)分布與試驗(yàn)結(jié)果較相似，較好地驗(yàn)證了仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。

4結(jié)語(yǔ)

利用StarCCM+ 流體分析軟件研究了不同網(wǎng)格尺寸、粗糙度、邊界層厚度及不同入口形狀等參數(shù)對(duì)氣道流動(dòng)性能的影響，結(jié)果表明：網(wǎng)格尺寸對(duì)流量系數(shù)的影響較小，對(duì)湍流比的影響較大，推薦采用1 mm 網(wǎng)格尺寸方案較合適。邊界層的厚度對(duì)流量系數(shù)和湍流比影響均較大，推薦采用0.2 mm邊界層厚度方案較合適。表面粗糙度會(huì)對(duì)流量系數(shù)及湍流比產(chǎn)生的影響較小，建議采用光滑壁面。傾斜入口會(huì)降低一定的流量系數(shù)，對(duì)湍流比影響較小，建議采用垂直入口較合理。優(yōu)化參數(shù)后的CFD 仿真與PIV 試驗(yàn)結(jié)果在中、高氣門(mén)升程下的流場(chǎng)分布較吻合，表明仿真具有較高的精度。仿真計(jì)算能夠較精確地預(yù)測(cè)真實(shí)氣道流動(dòng)性能，可明顯縮短氣道開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本。