發(fā)動機缸內(nèi)流動顯示試驗研究*

馬宏偉,賀 象,張晶輝,徐春龍,劉 勝

(1.北京航空航天大學能源與動力工程學院，航空發(fā)動機氣動熱力國防科技重點實驗室，北京 100191；2.中國北方發(fā)動機研究所，大同 037036)

前言

合理組織內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的氣流運動對改善燃燒、提高熱效率和工質(zhì)利用率以及降低污染排放和噪聲具有重要意義。要提高內(nèi)燃機性能，首先要求對內(nèi)燃機進氣道和缸內(nèi)流動狀態(tài)有充分認識。

氣缸內(nèi)流動呈現(xiàn)強三維性、有旋性和非定常性，這給缸內(nèi)流場的精確測量造成了很大困難。過去國內(nèi)對于內(nèi)燃機實驗研究主要采用傳統(tǒng)的穩(wěn)流實驗測量流量系數(shù)和渦流比[1-2]，但這只能檢測發(fā)動機整體性能，不能獲得對氣缸內(nèi)復雜流動的直觀認識，進而探索發(fā)動機內(nèi)氣流運動機理。文獻[3]和文獻[6]中將熱線風速儀、LDA等多種單點測量手段應用于氣缸內(nèi)流動研究，但是能夠提供的流場信息比較有限。近年來，PIV等高科技測試技術(shù)開始應用于內(nèi)燃機的研究[7-9]，并且獲得了非常詳細的流場信息，但PIV設(shè)備昂貴，測量裝置復雜。

氫氣泡流場顯示技術(shù)[10]是近幾十年發(fā)展起來的流動顯示技術(shù)，跟隨性好、分辨率高，既可作定性觀察又能作定量測量，適用于湍流和旋渦等非定常流動的研究。與其它測量技術(shù)相比，氫氣泡流場顯示技術(shù)所花費的代價相對較小、實驗周期也比較短，而且能更直觀地觀察各種復雜的旋渦流動的演化。本文中采用氫氣泡流場顯示技術(shù)，在進氣道進口布絲發(fā)泡，并通過高清攝像機記錄流動圖像，從而獲得詳細的氣門出口射流、氣缸內(nèi)旋渦流場信息。

1 試驗裝置

為了能夠通過流場顯示技術(shù)觀測到進氣道內(nèi)和缸內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)，選用透明有機玻璃材料，采用數(shù)控加工保證模型氣道與原型相同。在氣道進口安裝收縮轉(zhuǎn)接段，以保證來流均勻。缸筒采用有機玻璃管，長度為2.5倍氣缸直徑。在回流式水洞中組裝、搭建流場顯示試驗裝置，如圖1所示。由于缸筒左邊是敞開的，故下文中將氣缸頂面，即氣缸蓋底面稱為“缸底”。

根據(jù)相似理論，本文的水洞模擬實驗的主要相似準則只有雷諾數(shù)。實際上，真實的內(nèi)燃機氣缸內(nèi)的流動狀態(tài)為充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，流動處于“第二自模區(qū)”，這表明雷諾數(shù)大于第二臨界值。當模型和原型均處于“第二自模區(qū)”時，此時流動狀態(tài)和流速分布不再變化而彼此相似，模型和實物的雷諾數(shù)不必保持相等，模型實驗的結(jié)果就可用到原型中去。因此，本文中實驗通過調(diào)節(jié)水洞輪機轉(zhuǎn)速來改變進氣道進口流速，以保證氣道進口雷諾數(shù)大于第二臨界雷諾數(shù)。

在氣道進口布置5根0.1mm的銅絲，連接電源陰極，陽極連接碳棒。通過電解水在陰極產(chǎn)生氫氣泡，其直徑約為發(fā)泡絲直徑一半左右。使用激光片光源照亮需要觀察的流動截面，通過高清攝像機對流場進行拍攝，后期采用視頻軟件對拍攝素材進行捕獲、整理，同時對流動現(xiàn)象及其機理進行分析，以此認識發(fā)動機氣缸內(nèi)的復雜流動。圖2給出了片光源水平打光和垂直打光位置。由圖可見：水平打光時，通過一個氣門的軸線；垂直打光時，同時通過兩個氣門的軸線；另外，也對氣缸橫截面進行打光，研究缸內(nèi)旋渦流動。

2 試驗結(jié)果分析

選取9.4(最大升程)、7和3mm 3種氣門升程時的缸內(nèi)流動圖像進行分析。結(jié)果如圖3～圖14所示。為符合一般習慣，將影像圖和水平與垂直截面流動示意圖的氣缸豎直放置；而氣缸橫截面流動示意圖則按圖2的方位標示。

2.1 最大氣門升程狀態(tài)下缸內(nèi)流動

圖3(a)為最大氣門升程下氣門出口射流，進氣道出口射流沿氣門切向流出，在射流與氣門下方形成一個尺寸較大逆時針方向旋轉(zhuǎn)的旋渦。左邊缸壁、缸底和射流圍成的區(qū)域存在點源，流體從片光照射平面下方向上流動。另外，氣門座內(nèi)明顯存在較小分離，對進氣道出口可能產(chǎn)生一定堵塞。圖3(b)給出了同一截面缸內(nèi)滾流流場。右側(cè)氣門出口離缸壁很近，射流撞擊缸壁后，一部分流體會偏轉(zhuǎn)流向氣門下方，形成一個大的回流渦。從圖中來看，在旋渦下游，右側(cè)氣泡跡線比左側(cè)長，表明右側(cè)流速整體上要大于左側(cè)。因而，在左、右兩股流動匯合時，必然會產(chǎn)生小尺度的非定常旋渦脈動，如圖4所示距缸底約70mm位置。

圖5為垂直打光截面流動圖像和流動結(jié)構(gòu)示意圖。從圖5(a)可以看出，兩氣門之間噴出一股速度較大的射流，在射流兩側(cè)形成一對旋渦。其中上方旋渦尺寸較大，即圖4所示氣門底部的回流渦和圖5(b)所示左側(cè)氣門下方的旋渦。在射流另一側(cè)形成的旋渦尺度相對較小，與缸壁射流形成一對旋轉(zhuǎn)方向相反的渦結(jié)構(gòu)，見圖5(b)右側(cè)氣門下方。

為了進一步觀察缸內(nèi)的渦流運動，對氣缸橫截面打光，觀察位置分別距離缸蓋底面10、30、50、70、90和110mm。從單幅圖像中很難觀察到缸內(nèi)旋渦結(jié)構(gòu)，只能通過錄像回放才能分辨出不同截面的渦流結(jié)構(gòu)。因而，在仔細分析流動錄像后，繪出流動結(jié)構(gòu)示意圖，以此說明橫截面缸內(nèi)渦流運動。圖6給出距缸底10mm位置缸內(nèi)渦流示意圖[11]。射流在缸底共形成了6個大小不同的旋渦，其中旋渦1、4、5和6是射流受到缸壁阻擋而產(chǎn)生，旋渦2和3則是兩氣道射流干涉形成。隨著截面遠離缸底，旋渦尺度增大，但是旋渦強度減弱。圖7給出了距缸底30mm位置渦流結(jié)構(gòu)示意圖，旋渦尺度增大。在距缸底70mm位置，如圖8所示，旋渦尺度繼續(xù)增大，旋渦強度繼續(xù)減小，上半部分的3個旋渦不再是穩(wěn)定的流動結(jié)構(gòu)，而是間歇出現(xiàn)。在90和110mm位置，這種趨勢更加明顯。

2.2氣門升程7mm狀態(tài)下缸內(nèi)流動

當氣門升程減小后，氣門出口左側(cè)大旋渦明顯向左側(cè)缸壁移動，如圖9(a)所示。圖4中出現(xiàn)點源的位置完全被射流形成的大旋渦所占據(jù)，射流貼著缸底向左側(cè)缸壁流動。氣門座位置的分離仍然存在，但尺度有所減小。另外，在氣門下方，右側(cè)氣門出口射流形成的回流渦的尺度增大，如圖9(b)所示。同樣由于左、右兩側(cè)流速相差較大，在距缸底70mm截面位置出現(xiàn)間歇形成的非定常的小尺度旋渦脈動。

從垂直打光截面來看，圖10和圖5所示的流動結(jié)構(gòu)相差不大。由于氣門升程減小，進氣道出口流速有所減小，因而，中間射流在兩側(cè)形成的旋渦的影響范圍縮小。氣門下方形成的對轉(zhuǎn)旋渦離缸底更近。

在7mm氣門升程狀態(tài)下，距缸底10mm位置氣缸橫截面流動(未附圖)與最大升程狀態(tài)下相差不大。同樣，距缸底30mm位置橫截面流動，7mm氣門升程(見圖11)和最大氣門升程狀態(tài)下流動結(jié)構(gòu)類似，其主要區(qū)別在于3號位置渦結(jié)構(gòu)非定常間歇性產(chǎn)生。在距缸底50mm截面位置的流動如圖12所示，上半部分非定常渦流脈動比較明顯，并沒有出現(xiàn)穩(wěn)定的旋渦結(jié)構(gòu)，下半部分則形成尺度較大的穩(wěn)定旋渦結(jié)構(gòu)。圖13為距缸底70mm位置截面流動示意圖，上、下兩部分形成旋轉(zhuǎn)方向相反的渦流運動，旋渦尺度很大但強度較低。

2.3 氣門升程3mm狀態(tài)下缸內(nèi)流動

當氣門升程進一步減小至3mm時，進氣道內(nèi)流速明顯降低，氣門出口射流強度較弱，但是，整體的流動結(jié)構(gòu)仍與7mm升程狀態(tài)下相似。水平截面流場(未附圖)與圖9類似，左側(cè)缸壁與缸底角區(qū)旋渦尺度和強度進一步減小。垂直截面的流動如圖14所示，氣門下方渦結(jié)構(gòu)最大影響范圍距離缸底約30mm，形成了兩對旋渦結(jié)構(gòu)，類似于文獻[11]中所示的渦結(jié)構(gòu)。

對于氣缸橫截面流場，距缸底30mm位置流動結(jié)構(gòu)與7mm氣門升程情況下50mm位置相似，見圖12。在距缸底僅50mm位置就出現(xiàn)了雙渦結(jié)構(gòu)，與圖13所示的示意圖類似。

3 結(jié)論

(1) 采用氫氣泡流場顯示試驗技術(shù)，獲得了氣缸內(nèi)渦流、滾流等旋渦流動圖像，并總結(jié)了缸內(nèi)旋渦流動結(jié)構(gòu)，為內(nèi)燃機內(nèi)復雜流動的研究提供了一種簡單有效的試驗方法。

(2) 不同氣門升程下，缸內(nèi)流動結(jié)構(gòu)整體上趨于一致；距離缸底越近，射流所形成的旋渦數(shù)目越多，旋渦強度也較大；遠離缸底，小旋渦逐漸匯合形成尺度較大的旋渦，但是強度有所減小，并最終演變成對稱的雙渦結(jié)構(gòu)(除了最大升程狀態(tài))。

(3) 氣門升程越小，氣門出口流速越低，射流強度減弱，因而，所形成的滾流和渦流的尺度和強度也降低，雙渦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的位置離缸底越近。

[1] 趙振武.內(nèi)燃機氣道的穩(wěn)流試驗技術(shù)研究[D].天津:天津大學,2003.

[2] 戶冬.氣道試驗臺及4種評價方法介紹[J].重慶理工大學學報,2010,24(12):123-126.

[3] 邵玉平,張建華,李駿.四氣門柴油機氣缸內(nèi)氣流運動的實驗研究[J].內(nèi)燃機工程,2000(4):11-15.

[4] 吳志軍,黃震,孫濟美.四氣門柴油機缸內(nèi)渦流形成過程試驗研究[J].燃燒科學與技術(shù),2001,7(2):158-162.

[5] 馮明志,劉書亮,等.四氣門火花點火式發(fā)動機缸內(nèi)的空氣運動[J].天津大學學報,2000,33(3):355-359.

[6] 王健,林榮文,等.四氣門汽油機缸內(nèi)滾流運動的LDA實驗研究[J].燃燒科學與技術(shù),2004,10(4):350-353.

[7] 劉福水,李向榮,姜慶強.可變進氣渦流系統(tǒng)氣道入口流速的PIV測量[J].北京理工大學學報,2006,26(6):492-495.

[8] 王健,劉德新,等.用PIV方法研究四氣門汽油機缸內(nèi)滾流運動[J].燃燒科學與技術(shù),2004,10(5):433-437.

[9] 劉剛,汪洋,等.基于PIV技術(shù)的四氣門汽油機缸內(nèi)滾流特性研究[J].軍事交通學院學報,2009,11(3):57-62.

[10] Ma Hongwei, Jiang Haokang, Qiu Yaxi. Visualizations of the Unsteady Flow Field Near the End-wall of a Turbine Cascade[C]. Proceedings of the ASME Turbo Expo 2002, GT2002-30350.

[11] 付經(jīng)倫,李向榮,杜巍.切向/螺旋進氣道穩(wěn)流實驗與數(shù)值仿真[J].北京理工大學學報,2005,25(12):1039-1042.