螺旋進氣道設計參數對渦流比影響的數值分析

摘 要：采用計算流體力學軟件Converge對一款車用柴油機進行了氣道和缸內流動的數值計算，主要研究柴油機螺旋進氣道結構設計參數對缸內渦流比的影響.通過修改螺旋進氣道的3個主要結構設計參數，研究了其對缸內渦流比的影響規律.結果表明：當單獨改變螺旋室高度、渦殼切割量以及螺旋進氣道轉角3個結構設計參數，使其取值分別為13 mm，1.27 mm以及0°時，缸內渦流比獲得最大值；同時修改多個結構設計參數時，其對渦流比的影響存在相互制約的作用；通過Converge軟件實現了螺旋進氣道多結構參數的數值研究，對實際氣道的設計具有重要的指導意義.



關鍵詞：柴油機；螺旋進氣道；設計參數；缸內渦流比；數值分析

中圖分類號：TK422 文獻標識碼：A

Numerical Analysis of the Effects of the Design Parameters of a Diesel Helical Intake Port on the Swirl Ratio



HAN Zhiyu1，2，WANG Yong1，CHEN Zheng1，DENG Peng1

(1.Research Center for Advanced Powertrain Technology，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082，China; 2.State 

Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082，China)

Abstract:To study the effects of the design parameters of a helical intake port on the incylinder swirl ratio for an automotive diesel engine， the transit port and incylinder flows were simulated with the Converge CFD software. By changing the values of three main design parameters of the intake port， their effects on the incylinder swirl ratio were simulated and studied. The results have shown that the incylinder swirl ratio achieved the maximum values when the spiral chamber height， the vortex shell cutoff amount and the helical intake port angle were changed to the values of 13 mm， 1.27 mm and 0 degree， respectively. The results also indicated that the effects of the parameters on the swirl ratio were not additive when multiple parameters were varied at the same time. This study has shown that the numerical analysis of multiple design parameters of a helical intake port can be done with the use of the Converge software.



Key words:diesel engine；helical intake port；design parameters；incylinder swirl ratio；numerical analysis



隨著石油能源的不斷減少以及環境問題的日益加重，針對車用柴油發動機的燃燒和排放提出的要求也越來越嚴格.為了滿足日益嚴格的法規要求，必須合理的組織缸內燃燒過程，以提高燃料的燃燒效率和降低排放.

柴油機螺旋進氣道結構參數對缸內渦流的產生有至關重要的作用，合理的氣道結構參數不僅能保證在進氣過程中產生較強的渦流，還能保證在壓縮過程以及壓縮上止點附近缸內都具有較強的渦流.通過與噴油時刻的匹配，能保證在噴油燃燒時，缸內具有最優的渦流比，促進燃料與空氣的混合，提高缸內空氣的利用率，以達到改善發動機動力性、經濟性以及排放性的目的［1-2］.本文采用最新的三維CFD計算軟件Converge進行數值研究，分析了柴油機螺旋進氣道的3個主要結構參數對缸內渦流比的影響，實現了螺旋進氣道多結構參數的數值研究.

1 基本情況介紹

1.1 發動機基本參數

建立了一臺高速柴油發動機的氣道及燃燒三維模型，如圖1所示.氣道三維模型是通過三維激光坐標掃描儀掃描氣道砂芯獲取點云圖，并導入三維建模軟件中得到［3］.該柴油機基本參數如表1所示.

圖1 氣道及燃燒室三維模型

Fig.1 3D model of transit port and combustion chamber

表1 柴油發動機基本參數

Tab.1 Basic parameters of the diesel engine

型號

排量/L

壓縮比

燃燒室

形狀

進氣

方式

標定功率

/kW

最大轉矩

/(N·m)

直列

4缸

1.6

18.1

直噴

SymbolwA@

燃燒室

增壓

中冷

80(4 000

r/min)

230(2 000

r/min)

湖南大學學報(自然科學版)2012年

第4期韓志玉等：螺旋進氣道設計參數對渦流比影響的數值分析

1.2 三維模擬計算軟件介紹

本文采用了最先進的三維計算流體力學軟件Converge進行CAE研究.其不同于傳統CFD軟件之處，在于它的計算網格是在計算過程中自動生成，無需用戶提前畫出計算網格，從而為用戶節省了大量網格制作時間.在使用Converge時，用戶只需將制作的STL格式的幾何文件導入Converge的前處理軟件中進行簡單的幾何檢查和邊界設置即可［4］.

2 渦流比與進氣流量系數計算

2.1 渦流比與進氣流量系數

2.1.1 渦流比的計算

渦流比SR的計算公式為［4-5］：

SR=ΩflowΩcrankshaft. （1）

式中：Ωflow為缸內氣體的角速度，r/min；Ωcrankshaft為發動機的曲軸轉速，r/min.本文利用Converge計算軟件可直接計算出缸內渦流比的大小.

2.1.2 進氣流量系數

Ricardo無量綱流量系數C［6-7］F：

CF=QnAVV0，（2）

V0=2·ΔPρ， （3）

AV=π·d2V4. （4）

式中：Q為試驗測得的實際空氣體積流量，m3/s；n為進氣門數目；V0為理論進氣速度或速度頭，m/s；AV為氣門座內截面積，m2；dV為氣門座內徑，m；ΔP為進氣道壓差，Pa；ρ為氣門座處氣體的密度，kg/m3.本文通過Converge軟件得出計算的空氣體積流量Q，然后代入式（2），得出計算的流量系數CF.

3 邊界條件設定以及模型標定

3.1 邊界條件的設定

在發動機臺架上進行2000轉倒拖試驗并測得相關試驗數據.模擬發動機的工作范圍設定為進氣閥開啟前10°至壓縮上止點后20°，則對應的曲軸轉角范圍為-386°~20°.根據倒拖試驗測定的缸壓、溫度等，設定-386°時刻發動機的邊界條件如表2和表3所示.

表2 邊界條件1

Tab.2 Boundary condition 1

進氣溫度

/K

進氣壓力

/kPa

缸內溫度

/K

缸內壓力

/kPa

排氣溫度

/K

排氣壓力

/kPa

325.8

124.2

352

245.2

342.8

196.5

表3 邊界條件2

Tab.3 Boundary condition 2

活塞溫

度/K

氣缸溫

度/K

缸蓋溫

度/K

進氣閥

溫度/K

進氣道

壁面溫

度/K

排氣閥

溫度/K

排氣道

壁面溫

度/K

380

353

353

353

343

370

370

3.2 模型的標定

將數值計算的發動機缸壓與倒拖試驗所得到的實驗缸壓進行對比，如圖2所示.

由圖2可以看出：在開始時刻計算缸壓和實驗缸壓存在微小的波動，在之后的時刻，計算缸壓和實驗缸壓十分吻合.在壓縮上止點時刻，計算缸壓略高于實驗缸壓，計算的最大缸壓（5.812 1 MPa）比實驗的最大缸壓（5.718 4 MPa）高1.6%.因此，可以認為：數值模型能很好地反映實際發動機的工作情況，可以使用此數值模型進行下一步研究.

曲軸轉角/° ATDC圖2 計算缸壓與試驗缸壓對比

Fig.2 Comparison between calculation and 

experimented results

4 調整結構參數的數值模擬研究

4.1 結構參數介紹

將螺旋進氣道的三維模型在CAD軟件中直接導出二維工程圖并進行適當簡化，得出決定螺旋進氣道結構形狀的主要結構參數，如圖3所示.

圖3 螺旋進氣道主要結構參數

Fig.3 Main structure parameters 

of the helical intake port

結構參數包括：渦殼切割量η、氣道入口截面積S1、氣道最小截面積S2、螺旋底坡角β1、螺旋坡角β2（氣道最小截面的法線與水平面的夾角）、螺旋室高度H、螺旋室直徑D、螺旋進氣道高度μ、渦殼半徑R1、R2、螺旋進氣道轉角θ、螺旋進氣道偏心距e以及渦殼轉角β3.本文主要研究螺旋室高度H、渦殼切割量η以及螺旋進氣道轉角θ改變對缸內渦流比的影響.

4.2 參數H的影響

如圖4所示，H為螺旋進氣道的螺旋室高度，通過三維造型軟件改變H的取值，分別取H1=7 mm，H2=7.5 mm，H3=10.5 mm，H4=13 mm以及H5=13.5 mm.計算得出H不同取值時的缸內渦流比，如圖5所示.對比H不同取值的進氣量，如圖6所示.由圖5可以看出，在整個壓縮過程中，缸內渦流比呈先減小后在上止點附近快速增大，達到一個峰值以后再減小的過程［8］.原因是：在壓縮過程中，隨著活塞的上移，進氣初期形成的缸內渦流受壓而減弱，從而使渦流比降低；當接近上止點時，缸內氣體被強制壓入燃燒室，氣體旋轉半徑減小并產生擠流，從而使缸內渦流增強，渦流比增大并在上止點附近達到最大值；隨著活塞下移，缸內氣體從燃燒室內流出，氣體旋轉半徑再次增大，缸內渦流減弱，渦流比減小.

圖4 螺旋進氣道結構參數H

Fig.4 Helical intake port structure parameter H

曲軸轉角/°ATDC圖5 H不同取值時的渦流比

Fig.5 Swirl ratio of different values of parameter H

曲軸轉角/°ATDC圖6 H不同取值的進氣量

Fig.6 Air inlet of different values of parameter H

同時，可以看出隨著H取值的增加，缸內渦流比整體上成先減小后增大再減小的規律，并在H=13 mm時，缸內渦流比獲得最大值.可以得出：H與缸內渦流比之間存在非線性的相關關系，存在一個最佳H取值，使渦流比具有最大值.

繼續分析圖5可知，改變H的取值，對-20°和0°時刻的渦流比影響較大，而對20°時刻缸內渦流比的影響不明顯.因此，-20°和0°時刻的缸內渦流比對結構參數的變化較敏感，結構參數的微小變動，都會影響此時的缸內渦流比，而20°時刻的缸內渦流經過了上止點的壓縮過程，對結構參數的變化已經不那么敏感了.

由圖6可知，雖然H的取值不斷增加，但進氣量的變化卻不明顯.在-120°時刻，缸內進氣量最大值與最小值之間相差0.72%，因此，可以認為：結構參數H的改變對進氣量沒有影響.

4.3 參數η的影響

根據實際試驗中，渦殼切割量對缸內渦流比有一定的影響，因此，取η為渦殼切割量，如圖7所示.通過修改使其取值分別為η0=0 mm，η1=1.27 mm，η2=2.54 mm.

圖7 結構參數η

Fig.7 Structure parameter η

計算得出η不同取值時的缸內渦流比，如圖8所示.對比η不同取值的進氣量，如圖9所示.

曲軸轉角/°ATDC圖8 η不同取值的渦流比

Fig.8 Swirl ratio of different values of parameter η

由圖8可以發現，隨著η的增大，缸內渦流比先增大后減小.在η=1.27 mm時，渦流比在-180°~20°曲軸轉角之間都具有最大值，且其最大渦流比（1.114 8，-4°）比η=0 mm的最大渦流比（0.950 6，-3°）高17.3%；同時，在-20°和0°時刻，η=1.27 mm的渦流比比η=0 mm時高17.9%和17%.隨著η值的繼續增大，缸內渦流比降低，并低于η=0 mm的渦流比.

曲軸轉角/°ATDC圖9 η不同取值的進氣量

Fig.9 Air inlet of different values of parameter η

由圖9可知，雖然η的取值不斷增加，但進氣量的變化卻不明顯.在-120°時刻，缸內進氣量最大值與最小值之間相差0.58%，因此，可以認為：結構參數η的改變對進氣量沒有影響.

4.4 參數θ的影響

以進氣閥的軸線為軸，進氣閥的軸心與進氣道入口截面的中心連線，繞此軸旋轉的角度為θ，如圖10所示.設氣道初始位置的θ角度為0°，且順時針旋轉為+，逆時針旋轉為-.通過三維建模軟件修改θ的取值，分別為-15°，-10°，-5°，+5°，+10°以及+15°.

計算得出缸內渦流比，如圖11所示.對比參數θ不同取值的進氣量，如圖12所示.由圖11可以看出，無論是順時針旋轉還是逆時針旋轉，缸內渦流都降低，且順時針旋轉降低的程度要遠小于逆時針旋轉降低的程度，同時隨著旋轉角度的增大，渦流比下降的速率也逐漸增大.根據不同的θ取值，可以得出初始位置時螺旋進氣道所處的θ角是使缸內渦流比為最大值的最佳角度.

圖10 結構參數θ

Fig.10 Structure parameter θ

曲軸轉角/°ATDC曲軸轉角/°ATDC

圖11 θ不同取值的渦流比

Fig.11 Swirl ratio of different values of parameter θ

曲軸轉角/°ATDC圖12 θ不同取值的進氣量

Fig.12 Air inlet of different values of parameter θ

從圖12可以看出，無論θ的取值如何變化，進氣量的變化卻不明顯.在-120°時刻，缸內進氣量最大值與最小值相差0.6%，因此，可以認為：結構參數θ的改變對進氣量沒有影響.

5 調整多個結構參數的研究

為研究多個參數改變時，對缸內渦流比的影響，分別同時改變2個參數和3個參數，設置5個Case的模擬計算，表4所示，為每個Case中各參數的取值.

表4 各Case參數取值

Tab.4 The parameters values of different Cases

名稱

H/mm

η/mm

θ/（°）

Case1

10.5

0

0

Case2

13

1.27

0

Case3

12

1.27

0

Case4

13

1.27

+10

Case5

13

1.27

-10

其中，Case1的參數取值為所研究發動機螺旋進氣道結構的實測值；Case2的參數取值是將各參數調節到使渦流比為最大值的參數取值；Case3的參數取值是保持Case2中η和θ的取值不變，調整H的取值；Case4和Case5的參數取值是保持Case2中H和η的取值不變，調整θ的取值.

按表4所示，修改結構參數后導入計算，得到5個Case的渦流比，如圖13所示.對比5個Case的進氣量，如圖14所示.

曲軸轉角/°ATDC圖13 5個Case的渦流比

Fig.13 Swirl ratio of five Cases

曲軸轉角/°ATDC圖14 5個Case的進氣量

Fig.14 Air inlet of five Cases

比較圖14中的Case1和Case2可以發現，雖然分別單獨調節H=13 mm或η=1.27 mm時能使渦流比達到最大值，但當同時調整H和η時，并沒有使渦流比得到提高.因此，可以認為：各結構參數對渦流比的影響效果不是簡單的相互疊加，而是存在相互制約、相互抵消的作用.在此基礎上，對比分析Case2和Case3，在保持η和θ取值不變的情況下，適當調整H的取值時，發現Case3的渦流比得到一定幅度的提高，但整體上仍小于Case1的渦流比.同樣，對比分析，Case2和Case4和Case5可以發現，在保持H和η取值不變的情況下，調整θ的取值，渦流比較Case2有增大也有減小，但變化幅度沒有調整參數H明顯.

通過上面的分析，可以得出：缸內渦流比是各結構參數相互作用的結果，各結構參數之間存在相互制約的作用.欲使缸內渦流比得到優化，必須準確了解各結構參數與渦流比的相關關系，通過分析相關關系可以得出優化缸內渦流比的各參數取值.

分析圖14可以看出，在各種情況下進氣量的變化都不大.在-120°時刻，缸內進氣量最大值與最小值相差1.1%，因此，可以認為：在誤差允許的范圍內，本文中所討論的結構參數改變對進氣量沒有影響.

6 缸內流動情況的分析

分析修改結構參數后對缸內流動情況的影響，沿兩進氣閥的軸線做一豎直截面，取進氣閥在最大升程時刻，且右側為螺旋進氣道，獲得缸內流動速度分布圖，如圖15所示.

(a)Case1(b)Case 5圖15 缸內流動速度分布

Fig.15 Distribution of incylinder flows speed

分析圖15可以看出：在15(a)圖中，氣缸中心處產生了一個較大渦流，并進一步使進氣氣流在兩氣門之間向左側流動，加速了缸內渦流的產生；而15(b)圖中，由于缸內產生的渦流較小，進氣氣流進入缸內后直接流向燃燒室，缸內不能很好地組織渦流.分析原因，可以得出：由于Case1和Case5的螺旋進氣道在結構設計參數H，η和θ的取值上存在一定的差異，從而使Case1和Case5的進氣道在進氣過程中產生渦流的能力發生改變.Case1中各結構設計參數的取值優于Case5，從而使Case1的缸內渦流比高于Case5.因此，合理的設計螺旋進氣道的結構參數能很好的改善發動機的缸內流動情況，提高缸內渦流比，最終達到優化發動機缸內燃燒過程的目的.

7 結 論

1）本文討論的螺旋進氣道結構參數的改變對進氣量的影響較小，而對缸內渦流比的影響較大.當分別單獨修改螺旋室高度、渦殼切割量以及螺旋進氣道轉角為13 mm，1.27 mm以及0°時，缸內渦流比得到大幅度的提高，并取得最大值.

2）分析了發動機缸內渦流比的動態變化情況，研究了對燃燒有意義的時間段（-20°，0°和20°）的缸內渦流比，其結果比穩流試驗臺的結果更反映發動機的實際工作過程，更真實合理.

3）同時改變多個結構參數對缸內渦流比的影響比較復雜，各參數之間的作用效果不是簡單的相互疊加的，而是相互制約的.

4）采用三維計算流體力學軟件Converge，可以較方便地實現螺旋進氣道多結構參數的數值研究和優化，對氣道的設計有重要的指導意義.

致謝

感謝Convergent Science， Inc.提供Converge軟件以及相應的技術支持.

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