發動機不同氣門升程下氣道及缸內流場分析

李孟

摘要 介紹了發動機螺旋進氣道參數化設計的方法，使用Pro/E軟件建立了螺旋進氣道的三維模型，實現了螺旋進氣道在不同氣門升程下的參數化設計。應用Star-CD分析軟件對螺旋進氣道內的氣體流動進行數值模擬計算，得到不同氣門升程下氣道及缸內流體的速度場和壓力場分布圖，計算出螺旋進氣道的渦流比和流量系數，可以為螺旋進氣道的改進設計提供指導。

關鍵詞：發動機；螺旋進氣道；參數化設計；數值模擬；Star-CD

引言

螺旋進氣道對發動機的混合氣形成與燃燒等方面有著重要作用[1-2]。缸內形成的氣體流動將直接影響混合氣的形成和發動機燃燒過程中火焰的傳播速度、燃燒的穩定性[3]，進而影響發動機的燃油經濟性和排放水平[4]。通過數值模擬計算分析進氣道的性能，可以直觀地了解氣體在進氣道和缸內的流動狀況，并對不同氣門升程下缸內的氣流速度和壓力進行了分析。

1 數學模型

湍流中的物質擴散受流體平均運動的對流和湍流擴散兩個過程所控制，所用于預測的數學模型，必須正確地描述平均流場和湍動能擴散的特征。本文主要對不同氣門升程下進氣道和缸內流場進行分析，氣流進入氣缸時可不考慮流體與外界的熱交換，因此其流體力學特性可以用連續性方程和動量守恒方程來描述[5]。

連續性方程

（1）

式中： ——時間； （j=1，2，3）——坐標； ——氣體密度； ——氣流速度在三個坐標上的分量。

動量守恒方程

（2）

式中：P——氣體壓力； ——作用在與 方向相垂直的平面上的 方向上的應力；“—”——表示平均； ——重力加速度。

2 數值模擬計算

2.1 進氣道和氣缸的三維模型建立及網格的劃分

采用Pro/E軟件作為螺旋進氣道的參數化建模平臺，建立三維模型，然后用Star-CD對三維模型進行網格劃分，生成六面體非結構化網格，網格數約為50～60萬個，由圖1所示。計算網格的生成是發動機內氣體流動數值模擬的重要組成部分，由于網格質量的好壞直接關系到迭代計算的穩定性及計算結果的可靠性，因此網格質量的優劣是影響數值模擬計算成功與否的關鍵因素。

圖1 計算網格模型

2.2 初始邊界條件的設置

將空氣視為不可壓縮理想氣體，應用標準 模型。進出口采用壓力邊界條件[6]，根據經驗給定壓差為2500Pa，取出口處為參考點，該處相對壓力為0，絕對壓力98800Pa。入口邊界和出口邊界都設為Pressure。固定壁采用絕熱無滑移邊界條件；溫度壁面邊界采用定溫條件，溫度設定為298K。

2.3 求解參數

采用穩態計算模式，差分格式選擇二階精度迎風差分格式，最大迭代次數設為2000次，收斂標準都設為0.001，監控點為氣缸底部中心網格，最后達到收斂并使計算結束。

3. 計算結果處理及分析

3.1 流場速度分析

圖2顯示出了氣門中心堅直截面在不同氣門升程下的速度場分布。從圖中可以看出，隨著氣門升程的增大，該截面的最大速度增大，分別是78.16m/s，123.9m/s，140.1m/s。在氣門盤和氣缸頂部下方產生的順時針回流也逐漸增大，這也是形成進氣阻力的主要原因。由圖可知，氣門升程較小時，氣缸的上部形成的滾流不太明顯，當氣門升程增大時，在該處就會形成明顯的滾流，這對于缸內混合氣的形成是非常有利的。

圖2 不同氣門升程下的速度場分布

3.2 流場壓力分析

圖3顯示出了氣門中心堅直截面在不同氣門升程下的壓力場分布。從圖中可以看出，在進氣道的入口部分是整個流場中壓力最大的部分，且壓力變化很小，隨著氣門升程的增大而增大。在氣道的螺旋部分，氣體壓力顯著下降，因此，螺旋部分是氣體壓力損失的主要區域。當氣門升程較小時，整個流場的壓力損失主要集中在進氣門出口附近，其損失主要是由氣門的阻礙作用引起的。此時缸內氣流主要集中在氣缸壁附近，說明氣缸壁對氣流有導向作用。

圖3不同氣門升程下的壓力場分布

4 計算不同氣門升程下的渦流比和流量系數

通過Star-CD的宏命令計算出不同氣門升程下的渦流比，再通過公式計算出流量系數，由圖4所示。從圖中可知，隨著氣門升程的增大，渦流比和流量系數都逐漸增大。

流量系數 表示流過氣門座的實際空氣流量與理論空氣流量之比[7]。表達式如下：

（3）

式中： ——實際空氣流量， ； ——理論空氣流量， 。

圖4

結 論

應用Star-CD對螺旋進氣道不同氣門升程進行數值模擬計算可以得出，隨著氣門升程的增大，在氣門中心豎直截面上的最大速度增大，而且最大速度出現的位置逐漸上移。隨著氣門升程的增大，過氣門中心豎直截面的最大壓力增大，且出現在氣道進口處。隨著氣門升程的增大，進氣道的渦流比和流量系數都逐漸增大。這表明通過數值模擬分析可以直觀地了解氣體在進氣道和缸內的流動狀況，并反映出在不同氣門升程下氣道及缸內的氣流速度和壓力的分布規律，可以為螺旋進氣道的改進設計提供指導，且有助于發動機的前期設計與分析，大大縮短發動機的開發周期。

參考文獻

[1] 常思勤， 劉雪洪， 何小明. 螺旋進氣道的三維造型設計研究. 南京理工大學， 武漢汽車工業大學， 2000

[2] 蔣炎坤， 羅馬吉， 鐘毅芳. 二行程發動機換氣過程數值模擬的研究[J]. 車用發動機， 2000

[3] 韓君， 蘇鐵熊， 王家雄等. 發動機螺旋進氣道的參數化設計及數值模擬.中北大學， 中國北方發動機研究所. 2011

[4] 周龍保. 內燃機學[M]. 北京： 機械工業出版社， 1999

[5] 王志， 黃榮華. 螺旋進氣道CAD/CFD優化設計方法的研究. 小型內燃機與摩托車. 2003

[6] 陳可， 文代志， 張洪濤， 周雯蕓. 內燃機不同氣門升程下氣缸內流場分析. 廣西： 廣西工學院， 2011

[7] 韓運動.柴油機進氣道CFD計算分析[D].大連：大連交通大學，2010