柴油機進氣流道流場CFD數值模擬分析

湯　沛，夏基勝，劉　銳，魏民祥，貝太學TANG Pei，　XIA Ji-sheng，　LIU Rui，　WEI Min-xiang，　BEI Tai-xue（.鹽城工學院 汽車學院，鹽城 4400；.南京航空航天大學 能源與動力學院，南京 006）

柴油機進氣流道流場CFD數值模擬分析

湯沛1，2，夏基勝1，劉銳2，魏民祥2，貝太學2
TANG Pei1，2，XIA Ji-sheng1，LIU Rui2，WEI Min-xiang2，BEI Tai-xue2
（1.鹽城工學院 汽車學院，鹽城 224400；2.南京航空航天大學 能源與動力學院，南京 210016）

結合三維構形軟件UG和CFD數值模擬軟件MSC/CFDesign，建立某型柴油機原型進氣流道三維模型，完成網格劃分，并進行了數值模擬計算。在此基礎上調整了進氣流道相對位置，對調整后的新進氣流道的質量流量、壓力、速度及渦量重新進行了對比計算。計算結果表明，新的進氣流道的出口質量流量比原型進氣流道增加了20%左右，出口渦量矩增加了60%左右，該計算結果對于提高柴油機的整體性能有較大的借鑒意義。

柴油機；螺旋進氣道；CFD；數值模擬

0　引言

柴油機的動力指標和經濟指標與柴油機燃燒室的燃燒效率直接相關。燃燒室既是產生可燃混合氣的場所，又是燃料所具有的化學能轉變為機械能的場所。燃燒室的核心任務是如何使燃燒室內的空氣及時與相配合的噴霧燃料混合，以利于混合氣形成和燃燒過程的進行，產生高的燃燒效率。柴油機的混合氣形成與燃燒是緊密相聯的，混合氣形成對燃燒過程有決定性影響［1，2］。

柴油機燃燒室的設計就是在限定的柴油機結構參數的條件下，恰如其分地處置混合氣形成方式，處置不當會影響柴油機的動力性、經濟性以及工作噪聲和排放質量。帶有螺旋氣道的渦流燃燒室是一種具有高燃燒效率的柴油機燃燒室，由于有規則的渦流作用，空氣與燃料得到充分混合，燃油和空氣能充分利用。螺旋氣道流動阻力小，渦流強度大。進氣道的質量指標除了流動阻力外，還有渦流強度，要求在盡可能小的阻力下有足夠的渦流強度。但阻力與渦流強度之間有矛盾，產生渦流總要增加阻力，一般阻力隨渦流強度增加而增加［3，4］。對于組織進氣渦流的柴油機來說，進氣系統一直是個影響性的重要項目。

目前，大都是在試驗臺上測量氣道的進氣渦流強度和氣道阻力，以此來評價氣道的優劣和確定進氣道的結構尺寸。隨著計算機仿真技術的快速發展，越來越多的柴油機生產廠家和研究所采用現代計算流體動力學（CFD）方法來直接分析柴油機的進氣流道流場，計算進氣流道的進氣渦流強度和氣道阻力。從而優化柴油機進氣流道，以最快的速度設計出高性能的柴油機［5，6］。因此，本文將采用MSC公司的有限元分析和仿真預測應用軟件MSC/CFDesign進行工程化流體計算動力學分析，以此為柴油機氣缸進氣流道流場分析提供參考依據。

1　氣道三維幾何模型

圖1　氣缸進氣流道1幾何模型

在進行柴油機氣缸進氣流道流場分析之前，首先用CAD/CAM軟件UG建立了兩個柴油機氣缸進氣流道幾何模型，圖1是第一個氣缸進氣流道幾何模型，圖2是第二個氣缸進氣流道幾何模型。這兩個氣缸進氣流道的差別在于螺旋氣道的位置不同，第二個氣缸進氣流道的進口氣道方位與氣缸筒體內圓接近于相切，而第一個氣缸進氣流道的進口氣道方位相對更接近于氣缸筒體中心。在此設計基礎上，在設置兩個氣缸進氣流道進出口相對壓力相等的條件下，用計算動力學分析軟件MSC/ CFDesign對進氣流道幾何模型進行流道流場對比分析計算，計算出氣缸進氣流道的壓力、速度及渦量等參數。

把螺旋氣道最佳安放位置的進氣渦流調整到螺旋氣道的設計位置，這對于設計一個良好的螺旋氣道來說是很重要的。用工程化流體計算動力學分析軟件MSC/ CFDesign對氣缸進氣流道進行計算機仿真計算能很好地解決這一重要課題，設計出高效率的發動機氣道。

圖2　氣缸進氣流道2幾何模型

2　計算模型建立

有限元前后處理軟件MSC/PATRAN與CAD/CAM軟件UG的幾何模型是無縫連接，保持特征參數的相關一致性。采用MSC/PATRAN軟件導入用UG造型的氣缸進氣流道幾何模型，利用PATRAN強大的自動網格劃分功能對兩個氣缸進氣流道幾何模型分別進行了自動有限元網格的劃分。兩個氣缸進氣流道幾何模型都采用四面體實體單元，相同單元長度，單元長度為1mm，349505個結點，251122個單元。計算單位采用mm-g-s制。圖3是第一個氣缸進氣流道有限元模型，圖4是第二個氣缸進氣流道有限元模型。氣缸進氣流道有限元模型的邊界條件是氣缸進氣流道入口相對壓力設置為3000Pa，氣缸進氣流道出口相對壓力設置為0Pa。

圖3　氣缸進氣流道1有限元模型

圖4　氣缸進氣流道2有限元模型

3　計算工具

柴油機氣缸進氣流道流場流動分析采用MSC/ CFDesign工程化流體計算動力學分析軟件，其基于現代有限元技術，用于分析復雜的層流、湍流和外流流體流動及相關的熱傳導問題，穩態和瞬態流體流動及相關的熱傳導問題，以及共軛熱傳導和輻射熱傳導問題的。計算流體的性質可以是變化的流體和固體特性，包括正交異性熱傳導率，分布阻力和多孔介質單元。

軟件中涵蓋湍流算法及特有的自動壁面模型、自動湍流啟動模型、全系列N-S方程求解器、變量分步求解過程、單調流線迎風模式、額外的標量轉輸方程和迭代矩陣求解方法。迭代速度快，且能有效地使用內存，在求解方程時能使用戶通過圖形監控窗監控流動及熱傳導方程的收斂情況。

此外，軟件中的流體模式有包括壁面函數的湍流模型、常量溫度粘性模型、k-epsilon湍流模型、RNG湍流模型、Eddy Viscosity湍流模型、不可壓縮流體、亞音速，跨音速或超音速可壓縮流動、非牛頓流體及局限兩相體動。具有與結構分析相同的用戶圖形界面，流體分析結果能自動傳遞到結構分析中。該計算工具是解決計算流體動力學問題的最佳選擇之一。

4　計算結果分析

根據軟件MSC/CFDesign，本文對文章所描述的兩個進氣流道流程進行了CFD數值模擬分析。計算時，大氣環境溫度設置為攝氏16.5℃，流體介質為空氣。從而計算出氣缸進氣流道的流量、壓力、速度及渦量等參數。圖5給出了兩個氣缸進氣流道的壓力分布云圖。從圖中可以看出，進氣流道2的壓力分布比進氣流道1更加均勻，在接近流道出口出的壓力保持在了較高的水平，這對于進氣流量的增加會有較大的改善。圖6為氣缸進氣流道速度分布矢量圖，同樣地從圖中可以看出，在同等條件下，進氣流道2在缸內產生的速度分布比進氣流道1更均勻，基本涵蓋了整個氣缸，而進氣流道1中在某些區域則出現了速度為零的狀態，這對于氣流與燃料混合是不利的。

圖5　氣缸進氣流道壓力分布云圖對比

圖6　氣缸進氣流道速度分布矢量圖對比

圖7給出了兩個氣缸進氣流道的出口速度矢量圖對比結果。與圖6中描述的結果一致是，進氣流道2在出口處的速度分布明顯比進氣流道1均勻，后者在出口處的較大區域中出現了速度接近于0的結果。此外，圖8給出了兩個氣缸進氣流道渦量分布云圖。顯然地，進氣流道2內的整體渦量不僅比進氣流道1的大，而且分布上更加均勻。兩種進氣流道在缸內反應的渦量差別不大，因此，進氣流道的相對位置隊柴油機進氣影響確實很大。為此，表1給出了對兩種進氣流道進行計算后，得出的一些重要參數。在同等的邊界條件下，進氣流道2的出口質量流量、平均渦量、平均角速度及平均渦量矩相比進氣流道1有較大提高。

圖7　氣缸進氣流道出口速度分布矢量圖

圖8　氣缸進氣流道渦量分布云圖對比

表1　兩種進氣流道的主要參數

5　結束語

從兩個柴油機氣缸進氣流道流場分析的結果可以看出，氣缸進氣流道模型2較原氣缸進氣流道模型1在流道流場性能參數上有較大提高。進氣流道2出口質量流量比比進氣流道1增加20%左右，出口渦量矩增加了60%左右。該計算結果對于提高柴油機的整體性能有較大借鑒意義。

因此，柴油機氣缸氣道計算機流場仿真分析是一種較為快速經濟地對發動機氣道性能進行評估的方法。可以在較短的時間內對發動機氣道出口的質量流量、平均渦量、平均角速度和渦量矩進行定量計算，進而對發動機氣道進行優化。在保證一定渦流強度的前提下，提供充足的進氣量，使柴油充分混合燃燒，從而提高發動機的性能。

將通過CFD計算獲取的氣道流場數據與氣道試驗數據及實際的發動機性能試驗數據相互對比驗證，在取得經驗以后可以大大減少試驗次數，縮短把性能優良的產品推上市場的研究開發周期。

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［2］ 杜發榮，聶建軍，高峰.基于現代設計方法的柴油機氣道設計流程研究［J］.機械科學與技術，2007，08:969-972.

［3］ 聶建軍，杜發榮，高峰.柴油機氣道改進設計的現代設計流程及應用［J］.農業機械學報，2006，10:15-18.

［4］ 覃忠耿，雷基林，賈德文，等.柴油機螺旋進氣道結構設計方法研究［J］.機械設計，2014，11:1-7.

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CFD numerical simulation analysis of flow field on diesel engine inlet port

TK413

B

1009-0134（2016）06-0049-03

2016-04-08

江蘇省普通高校研究生科研創新計劃（KYLX_0244）

湯沛（1981 -），男，江蘇鹽城人，博士，主要從事活塞發動機仿真計算研究工作。