柴油機(jī)EGR系統(tǒng)文丘里管內(nèi)流動(dòng)數(shù)值分析

任俊楠，蘇小平，伍 綱

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 211816)

0 引言

現(xiàn)今社會(huì)，環(huán)境污染問題十分突出，車輛排氣污染對(duì)環(huán)境的危害越來越受到人們的重視，并積極采取措施以降低其危害程度。柴油機(jī)排放物主要是氮氧化物(NOx)和碳?xì)浠衔?HC)，在高溫高壓的情況下，碳氧化物會(huì)少而氮氧化物會(huì)多，所以對(duì)于排放的限定來講，國(guó)際上通常主要評(píng)判氮氧化物的排放量。

廢氣再循環(huán)技術(shù)(EGR)是目前降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放的主要措施之一，使用這種方法雖然會(huì)有較小的燃油額外損耗，但能獲得較大的凈化效益，因此，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR技術(shù)將是滿足未來排放要求的關(guān)鍵技術(shù)。但考慮到柴油機(jī)排氣管內(nèi)平均壓力要低于進(jìn)氣管內(nèi)平均壓力，這樣廢氣就較難流入進(jìn)氣管內(nèi)，EGR系統(tǒng)通路就不能實(shí)現(xiàn)這個(gè)問題可以采用在增壓器出口后端串接文丘里管的方式來克服[1]。因此采用文丘里管EGR系統(tǒng)能較方便地在大工況下實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)，并且泵氣損失少，成本低。

本文以發(fā)動(dòng)機(jī)EGR文丘里管為研究對(duì)象，基于Fluent軟件、對(duì)控制方程用有限容積法進(jìn)行了離散，運(yùn)用SIMPLEC算法對(duì)壓力—速度進(jìn)行耦合計(jì)算，空間離散采用中心差分格式，控制方程中的時(shí)間項(xiàng)應(yīng)用二階歐拉向后差分，計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取10-4s。流場(chǎng)達(dá)到統(tǒng)計(jì)的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，分析了出口壓強(qiáng)變化，邊界層的分離和湍動(dòng)能變化情況。

1 引射式文丘里管的工作原理

從流體力學(xué)及工程熱力學(xué)的相關(guān)理論可知[2]，氣體在亞音速狀態(tài)下的氣流在擴(kuò)張段中會(huì)減速流動(dòng)，馬赫數(shù)降低，溫度、壓力和密度均會(huì)升高，這個(gè)稱為壓縮過程。同樣處于亞音速的范圍內(nèi)，在收縮段中氣體會(huì)加速流動(dòng)，馬赫數(shù)上升，然而溫度、壓力和密度均會(huì)降低，稱為膨脹過程。文丘里管正是利用這個(gè)原理進(jìn)行工作的，當(dāng)氣體在收縮部分流動(dòng)時(shí)，進(jìn)行膨脹的過程，在喉口最窄處會(huì)形成較低的壓力，可以將經(jīng)冷卻的廢氣引射進(jìn)入混合段喉口處，實(shí)現(xiàn)廢氣的再循環(huán)過程[3]。

文丘里管與主進(jìn)氣管的連通有兩種方式：全流和分流。其中分流方式是指，當(dāng)遇到柴油機(jī)進(jìn)氣量比較大的工況，通過蝶閥調(diào)整文丘里管空氣流量。一般情況下，為了兼顧高低速工況，采用分流方式接入，如圖1所示。

圖1 分流式EGR系統(tǒng)

引射式文丘里管從結(jié)構(gòu)上依次分為收縮段①、混合段（喉口段）②、擴(kuò)壓段③和引射管④四大部分，如圖2所示。

圖2 文丘里管結(jié)構(gòu)圖

2 文丘里管的基本設(shè)計(jì)

文丘里管的設(shè)計(jì)必須滿足，混合段喉口處有效的靜態(tài)壓力對(duì)廢氣的吸氣壓力，氣體損失在流動(dòng)過程中最小，結(jié)構(gòu)緊湊用以提高EGR率的響應(yīng)性。

管的擴(kuò)壓段長(zhǎng)度由經(jīng)驗(yàn)選定，選擇太短，氣流擴(kuò)充太快，會(huì)引起擾動(dòng)增加內(nèi)部摩擦損失；如選的太長(zhǎng)，氣流與管壁的摩擦損失也會(huì)增加。文丘里管全程為320mm。由經(jīng)驗(yàn)選擇，收縮段錐角α，一般選擇22±10o，而擴(kuò)壓段錐角β會(huì)選擇7o~15o。

在EGR系統(tǒng)中冷卻后的再循環(huán)廢氣從引射管引入時(shí)，要注意兩類問題：第一，導(dǎo)入的廢氣流量能否滿足需求，這主要由混合段與引射段之間壓力差和引射管的流動(dòng)面積決定。第二，引射流對(duì)空氣流動(dòng)的干擾作用，主要是引射管在混合段上的布置[4]。這里EGR引射管共14個(gè)，分兩列沿混合段圓周均勻分布，入射角與空氣壓入方向的夾角為60o，根據(jù)氣體動(dòng)力函數(shù)表[5]，通過插值計(jì)算，得到喉口處的截面積。表1為通過計(jì)算出來的文丘里管結(jié)構(gòu)參數(shù)。

根據(jù)文丘里管實(shí)際尺寸，建立了具有引射口文丘里管網(wǎng)格。通過計(jì)算，網(wǎng)格總數(shù)為228909，并對(duì)引射管網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化處理，如圖3所示。計(jì)算過程中假設(shè)氣體流動(dòng)狀態(tài)是不可壓縮粘性湍流流動(dòng)，且引射管導(dǎo)入廢氣與收縮段空氣無化學(xué)反應(yīng)及熱交換交換。采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε湍流模型及SIMPLEC算法，以質(zhì)量流量為空氣和廢氣入口的邊界條件，進(jìn)氣流量為0.152kg/s，空氣入口溫度為311K，廢氣入口溫度為480K；擴(kuò)壓段出口設(shè)置為壓力邊界條件，經(jīng)過與文丘里管串聯(lián)的增壓機(jī)入口空氣的壓力為1.96×105Pa 。

表1 文丘里管主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 引射段局部網(wǎng)格放大圖

3 非定常條件設(shè)定及內(nèi)部流動(dòng)析

設(shè)定經(jīng)過引射管的廢氣入口流動(dòng)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)變化，由此使得整個(gè)文丘里噴管內(nèi)的流動(dòng)為一個(gè)非定常流動(dòng)。仿真中壓力損失和流動(dòng)分離作為時(shí)間的函數(shù)變化，并且對(duì)于時(shí)間的非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與使用平均入口、出口條件下的穩(wěn)態(tài)解可以是不同的。這里對(duì)文丘里管中不同EGR率的內(nèi)部流動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

計(jì)算過程中，EGR率定義為進(jìn)入文丘里管的EGR廢氣質(zhì)量與進(jìn)入文丘里管的新鮮空氣和EGR廢氣的總質(zhì)量之比，EGR率的計(jì)算式為：

3.1 文丘里管內(nèi)壓力場(chǎng)

壓力恢復(fù)系數(shù)FL的推導(dǎo)公式如下：

FL值是管內(nèi)部幾何形狀的函數(shù)，它表示管內(nèi)流體流經(jīng)縮流處后動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能的回復(fù)能力。一般取的值越小，P1-P2比上P1-Pvc的值就越小，即壓力恢復(fù)越大。在圖4和圖5中可以看出，在管內(nèi)節(jié)流處壓力達(dá)到最低，流體速度達(dá)到最高[6]。

在文丘里管內(nèi)，喉口面積決定了其引射能力，喉口截面越小，其引射能力就越強(qiáng)，但若喉口面積太小，又會(huì)發(fā)生堵塞的情況，模擬過程中并未考慮擁塞導(dǎo)致的壓力損失。經(jīng)過公式（2）計(jì)算，對(duì)圖6中不同EGR率的文丘里管內(nèi)壓力值進(jìn)行計(jì)算，壓力恢復(fù)系數(shù)如圖7變化。當(dāng)EGR率大30%，壓力恢復(fù)系數(shù)突然非線性增大。由此可見FL大，流阻大，摩擦損失大，壓力恢復(fù)能力低。

圖4 中間截面壓力

圖5 中間截面速度

圖6 不同EGR率下中軸壓力變化

圖7 不同EGR率下壓力恢復(fù)系數(shù)

3.2 管內(nèi)速度場(chǎng)和出口處的邊界分離

圖8為中間截面速度云圖，如擴(kuò)展段內(nèi)流場(chǎng)出口出現(xiàn)邊界層分離的情形，這是因?yàn)楣艿乐械牧魍ń孛嫱蝗辉龃髱淼摹＿吔鐚蛹铀僭鰧挘枇υ龃蠛蛪簭?qiáng)持續(xù)增大（流速減小）使邊界層內(nèi)動(dòng)量減小，在兩者共同作用一段足夠長(zhǎng)的距離后，最終導(dǎo)致邊界層內(nèi)流體停滯下來，從而發(fā)生分離的現(xiàn)象，從分離點(diǎn)開始，邊界流線必脫離邊界，其下游近壁處形成一個(gè)反向回流或渦旋。局部放大擴(kuò)壓段出口流速，如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著EGR率的增大，渦旋開始向上游發(fā)展。

圖8 擴(kuò)壓段速度等值線圖

從圖9中可以看出，對(duì)于不同EGR率的情況，在收縮段對(duì)于同一渦輪增壓的空氣，流速幾乎一致。當(dāng)進(jìn)入混合段喉口后，高EGR率帶來的廢氣引射入混合段，使得管內(nèi)流速也較大。但通過擴(kuò)壓段后，計(jì)算出口面加權(quán)平均流速基本一致。

可以肯定邊界層分離會(huì)帶來不好的影響。首先，在邊界層分離的地方，其位移寬度會(huì)急劇增加，在內(nèi)流場(chǎng)范圍內(nèi)，則會(huì)增加流動(dòng)的損失，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)速度突然丟失的現(xiàn)象。還有一個(gè)影響是渦旋的脫落，當(dāng)渦旋開始脫離邊界層的表面時(shí)，渦旋是以固定的頻率離開的。當(dāng)渦旋發(fā)生的周期性脫落對(duì)附近的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到或接近共振狀態(tài)將會(huì)造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞。

圖9 不同EGR率下中軸的速度變化

3.3 文丘里管內(nèi)邊界湍動(dòng)能

標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型是應(yīng)用于管內(nèi)中心充分發(fā)展的高Re數(shù)的湍流模型。實(shí)際上，對(duì)于近壁區(qū)Re數(shù)較低的湍流，不能用標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)檫@種情況下的湍流發(fā)展不充分，湍流的分子粘性對(duì)湍流的影響比脈動(dòng)過程要大。在近壁區(qū)內(nèi)采用壁面函數(shù)法，這種方法實(shí)際上是一組半經(jīng)驗(yàn)公式，用于將壁面上相關(guān)的物理量與湍流核心區(qū)內(nèi)待定的未知量結(jié)合求解[7]。

圖10 不同EGR率管內(nèi)中軸湍流參數(shù)變化

對(duì)比不同EGR率的數(shù)值模擬結(jié)果，如圖10所示，湍動(dòng)能K及湍動(dòng)能耗散率ε的取值對(duì)出口附近流動(dòng)還沒有充分發(fā)展區(qū)域擬解算的結(jié)果影響較大，而對(duì)流動(dòng)充分發(fā)展的區(qū)域影響較小。當(dāng)處于高EGR率（即大于30%）時(shí)，發(fā)現(xiàn)從混合段開始,湍動(dòng)能K與湍動(dòng)能耗散率ε就開始急劇增加，邊界層脫落帶來的振動(dòng)對(duì)進(jìn)氣的有效流動(dòng)與混合不利。

4 結(jié)論

1）EGR率對(duì)文丘里管收縮段的初始?jí)毫謴?fù)有較大影響，EGR廢氣引射量越大,壓力恢復(fù)效果就越差。對(duì)于某種瞬態(tài)輸入，壓力恢復(fù)系數(shù)伴隨著EGR率在10%～30%之間呈線性增大，這對(duì)EGR系統(tǒng)廢氣補(bǔ)充來說，是有益的。

2）通過模擬計(jì)算，不同EGR率只在離擴(kuò)壓段出口約150mm～200mm開始出現(xiàn)遞增的差額變化。模擬結(jié)果與壁面函數(shù)法計(jì)算結(jié)果比較一致,驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的正確性，為研究文丘里管內(nèi)流動(dòng)對(duì)EGR系統(tǒng)的影響提供了理論基礎(chǔ)。

3）對(duì)此種較為通用的文丘里管，雖伴隨EGR增加，NOx的排放減少。但通過模擬，當(dāng)EGR率大于30%時(shí)，出口處出現(xiàn)的邊界層分離開始向上游混合段發(fā)展，這對(duì)廢氣的引射流是有害的。在保持?jǐn)U壓段長(zhǎng)度不變的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)減小擴(kuò)壓角，即增大混合段喉口直徑。

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