基于Fluent的柴油機缸內氣體流動仿真分析

程清波，寇睿，耿莉敏，王城

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

基于Fluent的柴油機缸內氣體流動仿真分析

程清波，寇睿，耿莉敏，王城

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

∶氣體的缸內流動對內燃機燃燒和排放起著關鍵作用。文章用Proe對某柴油機燃燒系統進行建模，導入ICEM劃分網格，用Fluent進行求解。通過分析速度場和壓力場等的變化，獲得柴油機缸內流動情況，為缸內結構優化提供參考。

∶柴油機；氣缸；流動；數值模擬

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.011

CLC NO.: U464.172Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-29-02

前言

隨著計算機模擬技術日益成熟，研究發動機不再單一的通過試驗進行，數值模擬越來越受到研究者的推崇與喜愛[1]。眾所周知，氣體的流動狀態對發動機燃燒有著直接的影響，在里卡多設計的湍流式發動機中，其燃燒室的形狀可以改變缸內氣流的流態，用來確定最佳燃燒的流動狀態；阿爾科克的研究表明，進氣行程產生的旋流可以有效的改善發動機的燃燒狀況。為此，工程人員投入大量的時間與精力對發動機缸內氣流進行探究，以獲得期望中的進氣渦流，改善發動機的燃燒。目前，已取得階段性的效果。本文在此基礎上，進行柴油機氣體缸內流動的研究。

1、缸內流動系統的模型及定解條件

1.1幾何模型的建立

在對氣缸及進氣道進行數值計算之前，需要建立反映實際幾何特征的三維模型，燃燒室模型用Proe根據實際形狀做適當簡化得來。柴油機的參數如下，每缸氣門數：2；燃燒室形式：ω型；缸徑×行程（mm×mm）:112×132；壓縮比：17.5:1。

圖1　90°CA和180°CA活塞位置下的缸內模型

為了對進氣過程進行較為完整的模擬，以排氣上止點作為0°曲軸轉角(CA)選取兩個不同活塞位置建立幾何模型，將模型導入ICEM后如圖1。

1.2計算域的網格劃分

本文只是探究進氣過程整個流場的分布規律，對是否為瞬態模擬不做要求，因此，選用非結構網格靜態模擬的方法對活塞工作的兩個不同位置進行網格劃分，可以達到預期目的。網格劃分為圖2所示：

圖2　90°CA和180°CA活塞位置下的網格劃分

1.3初始條件與邊界條件

初始時刻的具體數值及分布，包括速度，壓力，溫度，密度等，一般根據試驗或經驗給出；除初始條件外，在對計算域進行求解時邊界條件也是必不可少的。在對發動機的進氣過程進行流場求解時，某一位置進氣門開度和活塞位置確定，將氣門視為流體的邊界，并將進氣道，氣缸壁，活塞頂部以及氣門視作一體化，均作為流場的邊界[2]。在確定初始條件和邊界條件之后則可進行求解運算，具體的邊界條件設置情況如下：

1.入口邊界條件：采用壓力入口，發動機采用增壓裝置壓力設置為250000 Pa；

2.出口邊界條件：由于僅對進氣過程進行仿真，流體計算域不設置出口；

3.壁面邊界條件：對進氣道壁面，缸蓋的下壁面以及氣缸內壁面均設置為無滑移的固壁條件，即在固體表面上流體的紊流參數設置為零。

2、進氣過程缸內流場的數值模擬分析

進氣過程是從進氣門開啟到進氣門關閉氣流進入氣缸內的整個過程。此過程中系統內的氣流組織相當復雜，特別是進氣門附近，并且在不同曲軸轉角下流場的分布情況也呈現不同運動趨勢，氣缸內速度場和壓力場的分布也在時刻改變[3]。氣缸內的流動狀況隨漩渦中心和流動形態不斷改變，這直接決定著發動機后續的燃燒過程。

2.1進氣過程中缸內壓力的變化

對于不同曲軸轉角位置的缸內壓力，本文選取了90oCA和180oCA，如圖3所示：

圖3　90°CA和180°CA缸內氣體壓力云圖

從上圖可以看出在進氣過程中由于氣門的阻力作用使得氣門頂部和進氣道進口處壓力比氣缸內壓力要大，并且隨著進氣過程的進行活塞頂部壓力高于氣缸中部壓力。

2.2進氣過程中缸內氣體速度的變化

90°CA和180°CA氣體速度云圖，如圖4所示：

圖4　90°CA和180°CA缸內氣體速度云圖

從圖中可看出，進氣道中流體在上邊緣的速度大于下邊緣的速度，明顯觀察到氣門對空氣流動的阻礙作用，在保證一定質量流量的情況下，流速受氣門開啟程度的制約，在流動截面積減小的情況下，流速會明顯增大，進氣門附近受卷流作用的影響在其下部產生渦流，整個模擬結果基本符合發動機實際工作的情況。

2.3進氣過程中湍流動能的變化

圖5為90°CA和180°CA湍流動能云圖，如下：

圖5　90°CA和180°CA缸內氣體湍流動能云圖

從圖 5可以較為明顯的看出，湍動能大的部位主要集中在氣門附近區域，這是由于進氣門的解流作用明顯，使得該部位發生了陡峭的速度梯度，因而產生很高的湍動能。隨著進氣過程的進行，進氣能量逐漸增加，截面上氣道和缸內的湍動能數值較大，并且沿著氣流的軌跡逐步增加，湍動能分布逐漸變得比較均勻，但是在接近壁面時迅速降低[4]。

3、結論

通過較深入的分析柴油機進氣過程缸內氣流狀況，可以得到以下幾點：

（1）進氣行程中，由于進氣道與氣門的位置關系使得進氣氣流組織分布不均勻，并且受氣門開度限制，進氣門在實際進氣過程中阻礙空氣進入氣缸；

（2）由于進氣門周圍空氣對氣門下方的空氣產生卷吸作用，故在進氣過程中產生渦流；

（3）氣流在氣門附近速度變化最明顯，旋流最大，缸內的旋流組織由上而下呈慢慢減緩趨勢，接近活塞處逐漸消失。

[1] 李紹安,蘇萬華.內燃機燃燒模型的現狀與展望[J].車用發動機,1998（2）:1-6.

[2] 張亮峰.SL1126柴油機螺旋進氣道建模及CFD分析[D].湖南大學,2005.

[3] 王春輝.4氣門柴油機進氣和壓縮過程缸內流場的影響因素研究[D].昆明理工大學,2013.

[4] 鄭振鑫.內燃機缸內氣流運動的評價與分析[D].天津大學,2009

Simulation and analysis of gas flow in cylinder of diesel engine based on Fluent

Cheng Qingbo, Kou Rui, Geng Limin, Wang Cheng
(Chang'an University Automotive Institute, Shaanxi Xi'an 710064)

The flow of gas in the cylinder plays an important role in improving the combustion and emission of internal engine.In this paper,Proe is used to model the combustion system of a diesel,using ICEM to generate mesh,and Fluent is used to solve the model.Through the analysis of the change of velocity field and pressure field, etc,the flow of diesel cylinder is obtained,which provides reference for the optimum design of cylinder structure.

Diesel; Cylinder; Flow; Numerical Simulation

∶U464.172

∶A

∶1671-7988 (2016)09-29-02

程清波（1987—），男，研究生，就讀于長安大學，動力工程專業。