基于VECTIS的發動機氣道流量計算研究

李建統 高宏亮

（大長江集團有限公司研發中心廣東江門529075）

基于VECTIS的發動機氣道流量計算研究

李建統 高宏亮

（大長江集團有限公司研發中心廣東江門529075）

以里卡多軟件VECTIS為平臺，對某摩托車發動機的進氣道進行了穩態流量計算，對不同氣門升程時氣道、閥座以及燃燒室內的速度矢量分布進行了研究，評估了現有進氣道結構造型，指出改進措施。同時，為了驗證計算的準確性，對基準氣道進行了試制并測試了氣道流量系數，結果顯示：CFD計算結果和測試結果吻合較好，為進一步改善氣道設計提供了有力的技術支持。

發動機進氣道流量

引言

傳統的進氣道設計流程是采用經驗設計加反復試驗、多次修正的方法，還需要發動機臺架來驗證和選擇設計方案，在設計開發中存在較大的盲目性和局限性，不僅設計開發周期長，耗費大，而且較難得到理想的方案。

近年來，隨著商業軟件的普及，很多學者和工程師開始采用CFD軟件進行氣道優化設計，如劉勝吉等和任光遠等利用FLUENT軟件對進氣道進行CFD計算[1-2]，彭北京等利用FIRE軟件對發動機氣道進行了優化設計[3]，張海峰等利用Star-CD軟件對汽油機進氣道進行了研究[4]，在氣道優化工作上取得了長足的進步，但是也有繼續改善的地方，如文獻[1-2]中氣道流量系數計算值和測試值差異較大。此外，關于采用里卡多軟件進行氣道CFD模擬的文獻，在國內報道非常少。本文嘗試采用里卡多發動機專業CFD軟件VECTIS[5]技術對進氣道的CAD模型進行穩態流場模擬并將其可視化,便于更加直觀地顯示出流動結構的不合理之處，使進氣道的結構改進更具有針對性。

本文對大長江集團有限公司某款風冷125 mL發動機建立進氣道模型,進行了穩態CFD數值模擬計算，并根據里卡多氣道流量系數計算方法得到了流量系數，其結果與氣道穩流試驗臺測試的數據吻合較好；同時，通過穩流計算獲得了不同氣門升程時進氣道、閥座以及燃燒室內氣體流動狀態，為深入分析該氣道提供了可靠的依據。

1 數值模擬計算

1.1 幾何模型

根據設計部門提供的125 mL單缸汽油機缸頭結構，采用UG軟件提取進氣道、進氣閥座及燃燒室表面結構，并進行縫合得到進氣道計算的幾何模型，如圖1所示。為了使計算結果更加貼近測試結果，需要在進氣道的入口增加一個穩壓腔，其規格根據進氣道入口的直徑而定，沒有非常具體的要求，同時需要增加一個虛擬缸套。

圖1 進氣道3D模型

1.2 網格劃分

網格劃分是數據模擬前處理的關鍵一步，劃分質量的好壞直接決定了數值模擬計算的精度以及計算時間和收斂速度。本文以里卡多VECTIS軟件自帶前處理PHASE1平臺，進行網格的劃分設置，如圖2a）所示，為了準確模擬通過氣門處的流動，在進氣道下端和燃燒室上端的每個升程都進行網格加密，如圖2b）所示。

為了捕捉低升程氣門處（1mm，2mm，3mm）氣體的流動，氣門開啟時刻在進氣閥座處壁面和氣閥密封帶壁面進行深度加密（Depth=3.blending distance= 2）設置，另外，在氣門導管處氣體的流動較為復雜，也進行DEEP=2，FORCE=2加密塊設置。

圖2 網格劃分設置

1.3 數學模型及邊界條件

數學模型的選擇：激活需要求解的方程，包括質量守恒方程、動量方程、湍流模型以及能量方程。

采用可壓縮理想氣體（空氣）作為流動介質，激活上述能量方程，使計算工質特性更加接近真實情況。

邊界條件：為了與氣道流量臺的測試結果進行對比，計算氣道的壓差設定為9 800 Pa，與試驗狀態相同。

1）進口邊界采用總壓，出口為靜壓；2）環境溫度：25°；3）壁面溫度：均設置為絕熱。

1.4 計算結果

首先對低氣門升程時的進氣道流動狀態進行分析，以2 mm氣門升程為例，如圖3所示，選取一個氣道縱剖面的流速矢量圖和幾個關鍵橫截面的流速云圖進行研究。從圖3可以得出：氣道縱向截面流速均勻，無氣體分離和回流現象，只是在氣門導管及氣門桿尾流區存在較為明顯的低流速區；在氣道的幾個橫截面上，由于氣道彎曲布置，使流場分布不均勻，表現為高速流體偏向火花塞一側。

圖3 2mm氣門升程流速分布圖

為了更加清晰地表征氣道內氣體流動的軌跡，提取相同氣門升程時三維流動跡線圖，如圖4所示。從圖4可以得出：在低氣門升程時，通過閥座的流體沿著氣閥周圍呈均勻分布，最大流速出現在閥座和氣閥密封帶之間；相比之下，整個氣道內的流速處于較低水平。這樣，制約低氣門升程的進氣道流量系數的主要因素并非為氣道本身，而是氣門閥座的設計。

圖4 2mm氣門升程流動跡線圖

作為評價氣道本身的流通能力，高氣門升程的氣道流量系數更具有代表性。為此，本文選取7 mm氣門升程，該升程接近本機型的最大氣門升程，選取的流場截面和低氣門升程相同，如圖5所示。相比于低氣門升程，高氣門升程氣道內的流速明顯增大，且氣道縱截面的流場顯示，在閥座和燃燒室的結合面處出現明顯的氣體分流現象。氣道內彎角（氣道彎曲半徑）的設計不合理，是導致高氣門升程時出現氣體分流現象的主要原因。另一方面，相比于低氣門升程的氣體流動跡線，高氣門升程時氣體流動規律明顯不同，如圖6所示，在高氣門升程時，通過閥座的流體分布明顯不均勻，絕大部分氣體通過靠近排氣閥側進入氣缸內，這是由于高氣門升程時，氣道內流速高，高速氣流憑借其較強的慣性效應，直接進入氣缸內。最大流速出現在靠近閥座密封帶上游，整個氣道內的流速較高，尤其是在氣道內導管突出處。

綜上所述，影響氣道流量系數的主要原因是氣道的流動阻力，減小流動阻力可提高流量系數。減小流動阻力的措施主要有：a）增大氣道流通面積。首先查看整個氣道流通截面的最小截面所處位置，如圖6所示，在氣門導管①區域，流速最高，該區域的截面積也最小，為了提高其流量系數，該區域面積在工藝允許的前提下，可以適當增大。但是，切記不能增加太多。因為進氣道流量系數決定氣缸充氣量，主要影響發動機的高速功率，如果增加太多，進氣道流速下降，不利于低速和低負荷時霧化，反而會影響低速扭矩。b）避免氣道截面出現突變現象。圖6中，氣體經過氣道最小截面后（進氣門導管處），在氣門及其導管尾流②區域進行膨脹，該區域流速低，可以考慮將其截面積適當減小，以減少氣流流經氣門導管后因截面積突然增大而造成的膨脹損失。c）盡量避免氣道出現死區和回流區。在圖6中③區域，出現流速死區現象。為了避免這種現象，可以考慮從以下兩個方面入手：一是設計上盡量用大的內彎角過渡氣道和閥座；二是加工工藝的保證，氣道和閥座要對中，防止錯位，另外很關鍵的一點，盡量使內彎角曲線（即進氣道下邊緣線）和閥座內邊緣相切，這樣可以避免氣道加工后存在明顯的棱邊。

圖5 7mm氣門升程流速分布圖

圖6 7mm氣門升程流動跡線圖

2 試驗驗證

目前氣道流量試驗臺的種類較多，而且形成了各自的評價方法，應用較廣泛的是奧地利AVL公司、英國Ricardo咨詢公司、德國FEV研究所以及美國西南研究院的SwRl等評價方法。國內很多主機廠和缸頭廠采用天津大學開發的氣道流量試驗臺，首次提出SKLE方法。本文的氣道流量測試數據是在美國的SuperFlow氣道流量試驗臺上完成的，測試結果如圖7和表1所示。

圖7 氣道流量系數計算和測試對比圖

表1 進氣道流量系數計算值和測試值對比表

從圖7和表1可以看出，進氣道穩態流量系數計算值和測試值總體吻合較好，除1 mm升程外，其它升程的計算和測試的最大誤差均在5%之內。氣門升程為1 mm時，相對誤差較大，主要是因為隨著流通截面的減小，氣門處的流場相對更加復雜，計算軟件在這種小開度氣門升程計算時本身就存在一定誤差，另外，測試的缸頭氣道為實物，在制造工藝上無法完全實現3D的造型，和計算采用的3D數據存在一定差異，也會帶來誤差。

鑒于上述分析，該進氣道的最大流量系數在氣門最大升程處為0.58，在大長江集團有限公司氣道流量數據庫中屬于中上水平，還有一定的提升空間。可參照進氣道的CFD流場分析結果進行設計改進。

3 結論

1）進氣道穩態流量系數的計算值與測試值吻合較好，除1 mm升程外，其它氣門升程時的誤差均在5%之內，其精度可以滿足工程需求，為后續氣道的改進提供了可靠的技術手段。接下來，可以根據氣道的CFD評估分析結果，有針對性地修改氣道3D圖，然后再進行第二輪CFD迭代計算，這樣反復修改和計算，直至達到要求的氣道流量系數，最后進行試制和試驗驗證，大大節約了中間多輪次的試制和試驗成本并縮短了開發周期。

2）在低氣門升程時，氣道內流速分布均勻，且幅值較低，通過閥座的流體沿著氣閥周圍基本上呈均勻分布，最大流速出現在閥座和氣閥密封帶之間，低氣門升程的氣道流量系數較大程度上取決于閥座的詳細設計。

3）在高氣門升程時，通過閥座的流體分布明顯不均勻，絕大部分氣體通過靠近排氣閥側進入氣缸內，最大流速出現在靠近閥座密封帶上游，整個進氣道內的流速較高。現有進氣道內彎角的設計不合理是導致高氣門升程時氣體在進氣閥座和燃燒室的結合處出現分流現象的主要原因，這是后續改進的重點方向。

1劉勝吉，賈和坤，王建，等.通用小型汽油機進氣道CFD模擬計算與分析[J].小型內燃機與摩托車，2009，38（5）：45-46

2任光遠，楊海清.某型活塞發動機氣道穩流試驗臺測試與CFD仿真[J].重慶理工大學學報（自然科學），2012，26（2）：11-16

3彭北京，鄧定紅，胡軍峰，等.基于CFD的發動機進氣道優化設計[J].小型內燃機與摩托車，2009，38（3）：40-42

4張海峰，樓狄明，張小矛，等.基于瞬態CFD分析優化汽油機進氣道研究[J].內燃機與配件，2012（12）：7-9

5英國Ricardo公司.VECTIS用戶手冊[EB/OL].http://www. ricardo.com，2015-11-20

A Study on Engine Port Flow Analysis based on VECTIS

Li Jiantong,Gao Hongliang
R&D Center,Jiangmen Dachangjiang Co.,Ltd.(Jiangmen,Guangdong,529075,China)

The motorcycle engine intake port steady flow analysis was carried out based on Ricardo VECTIS software,velocity distribution in the port,valve seat and combustion chamber has been investigated,then intake port structure was evaluated and further modification proposal was carried out.At the same time,prototype of this port was made,and port flow measurement has been done on flow bench in order to validate accuracy of simulation.Test results indicate that:CFD analysis result matches with test very well,which will provide powerful technique support for further port improvement.

Engine,Intake port,Air flow

U483

A

2095-8234（2016）05-0061-04

2016-07-21）

李建統（1965—），男，工程師，主要研究方向為發動機設計及性能開發。