柴油機螺旋進氣道三維數值模擬及其結構優化

張慶才， 高超， 王仁人

(齊魯工業大學機械與汽車工程學院， 山東 濟南 250353)

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柴油機螺旋進氣道三維數值模擬及其結構優化

張慶才， 高超， 王仁人

(齊魯工業大學機械與汽車工程學院， 山東 濟南 250353)

以計算流體力學(CFD)技術理論為基礎，利用三維數值模擬軟件AVL-Fire分析新型6160船用柴油機螺旋進氣道，得到缸內的流量系數、渦流比以及流場特性云圖。通過三維建模軟件CATIA將原氣道不足之處改進優化，對改進后的螺旋進氣道進行穩態和瞬態模擬分析與評價，結果表明：優化后的螺旋氣道進氣性能提高15%左右，渦流產生能力提高20%左右。

計算流體動力學； 螺旋進氣道； 數值模擬； 結構優化

柴油機在進氣時，進入氣缸的混合氣體的質量和混合程度，氣體的速度分布及渦流、滾流狀況都會不同程度地影響燃燒過程，從而直接影響功率、油耗、扭矩、噪聲、穩定性和排放等，因此，進氣道設計的質量關系到整機的性能水平。螺旋進氣道形狀復雜，曲面不規則，對進氣影響最大，是進氣道設計的難點。對進氣道進行評價,決定著進氣道的開發工作,進而決定著新機型開發和舊機型改進的成敗。

對于傳統的螺旋進氣道開發設計，首先根據經驗設計原型，然后將設計好的原型反復試驗，這種方法非常耗時，需要大量的人力財力，結果也容易受到外界條件的影響且具有一定的盲目性。如今計算機技術發展得越來越快，CAD/CFD技術逐漸完善，已成為深入研究氣道及缸內氣體流動特性的有效方法,為優化進氣道結構提供了很大方便。

本研究根據CFD技術理論基礎，利用軟件AVL-Fire模擬分析新型6160船用柴油機進氣道，得出氣門升程為12 mm時的流場特性，利用CATIA軟件對模型不合理之處進行修改，然后進行穩態和瞬態模擬分析與評價，實現了進氣道結構的改進優化。

1 進氣道穩態模擬

進氣道穩態模擬仿真的依據主要是螺旋進氣道的流通能力和渦流形成能力，流量系數和渦流比采用AVL計算方法和標準，評價指標主要為無因次流量系數和渦流比[1-2]。

1.1 模型的建立及網格劃分

計算對象是新型6160船用柴油機進氣道，幾何模型參數見表1。

將模型導入網格前處理軟件Hypermesh，利用該軟件對模型結構稍作修改，去除不需要的表面，在氣道前方添加方形穩壓箱(見圖1)，目的是模擬進氣環境，穩定進氣氣流，避免產生回流；在氣道下方建立氣缸，長度是缸徑的2.5倍，為400 mm。

利用Hypermesh軟件，對建立好的模型進行面網格劃分，坐標原點取氣缸的上表面中心，方向為沿著z軸正方向。劃分結果見圖2。

表面網格劃分完之后，導入到三維模擬軟件AVL-Fire中進行體網格劃分，利用AVL-Fire自帶網格劃分工具的FAME Advanced Hybrid模塊，自動生成非結構化網格，網格規模尺寸由該模塊根據結構空間的形狀自動調整為介于最小值(2 mm)和最大值(8 mm)之間。氣門、氣門座和氣道等部位是流動敏感區域，必須進行局部細化加密(見表2)，最終體網格模型(見圖3)總網格數為137萬。網格劃分完成后，在氣道網格模型中建立葉輪網格(見圖4)。

圖1 方形穩壓箱

圖2 面網格

表2 局部細化網格尺寸表

區域網格尺寸/mm深度/mm氣門底0.53氣門頂0.50氣門座0.50火力板120進氣道42

圖3 體網格

圖4 葉輪網格

在AVL的評價方法中，渦流比根據葉輪的轉速和發動機的轉速之比來確定。采用不同氣門升程，缸內的渦流通過布置在氣缸1.75D位置的葉輪測量，具體尺寸見圖5。葉輪轉速r計算公式：

圖5 AVL葉輪尺寸簡圖

1.2 求解參數的設置

求解參數的合理設定是流體穩態模擬計算的重要環節，直接影響模擬的速度和穩定性。計算需要的求解參數見表3。

表3 求解參數表

收斂標準采用壓力、動量和湍動能趨于穩定來判斷，取值均為0.000 1，迭代次數取經驗值3 000次，計算時間為10 h，結果收斂。

1.3 模擬結果分析

計算獲得了不同氣門升程的螺旋進氣道流場特性。不同升程的壓力和速度分布規律基本相同，這里取氣門升程為12 mm的壓力和速度云圖進行分析。分析平面采用的是過氣門挺桿和X軸垂直的面。由壓力云圖(見圖6)可以看出：氣門挺桿處壓力值很大，壓力集中明顯，原因是由于結構1，2處(見圖6)坡度設計不合理，對氣流的疏導作用差，使得進氣氣流對氣門挺桿(結構4)的沖擊劇烈。在速度云圖(見圖7)上可以看到結構1，2處的速度很大，超出周圍速度很多，表明了該處結構不合理。圖8中結構3，5，6處的壓力小，速度大，是由于這幾個結構表面不光滑，出現垂直棱角的緣故，需要進行修改，圖中虛線位置給出了改進方法。

圖6 壓力云圖

圖7 速度云圖

圖8 壓力等值線圖

2 新氣道穩態模擬

2.1 氣道修改

利用三維建模軟件CATIA對原螺旋進氣道進行修改，參照類似進氣道的修改步驟[3]，通過CATIA軟件中的創成式外形設計模塊，使用自由曲面命令按照圖8的修改方案改進氣道結構。改進前后的氣道比較見圖9和圖10。

圖10 改進后的氣道

2.2 新氣道穩態仿真

利用AVL軟件對改進后的螺旋進氣道重新進行模擬與分析，分析依據參見文獻[4]，氣門升程不變，與原氣道保持一致。改進后的氣道結構1，2處的弧度為120°～135°，比原來提高20%左右；結構3處的弧度為150°～170°，比原來提高10%左右；結構5，6處，即氣門挺桿底部采用圓角結構。所有改進結構內表面都采用圓滑過渡。喉口處壓力等值線稀疏(見圖11)，氣門挺桿處壓力集中減小(見圖12)，氣流分布比原氣道更加均勻，同時，由速度云圖(見圖13)看出，改進后的速度值比原氣道提高，喉口處氣流速度減小而且更加穩定，表明氣道彎管處對進氣氣流的疏導和引流作用發揮得比較好，基本達到了改進的目的。

圖11 壓力等值線圖(改進后)

圖12 壓力云圖(改進后)

圖13 速度云圖(改進后)

2.3 優化結果分析

由AVL-Fire穩態數值模擬獲取了13個不同氣門升程的流量系數和渦流比(見圖14、圖15)，可以看出，新氣道的流量系數和渦流比較原氣道都有所提高，提高程度可達10%～20%。

由圖14、圖15可見，隨著氣門升程的增加，流量系數越來越大，渦流比越來越小，符合這兩個無因次參數的變化規律。改進后的螺旋進氣道流量系數和渦流比曲線在原氣道的上方，表明氣道的改進措施起到了優化的作用。

圖14 流量系數對比

圖15 渦流比對比

3 燃燒室瞬態模擬

3.1 燃燒室瞬態模擬方法

穩態氣道模擬沒有考慮活塞在缸內的運動、氣門運動及其正時的影響，且只能對進氣沖程進行分析。當活塞上升到上止點附近時，缸內氣流的運動狀態對燃燒有很重要的影響[5-6]。而缸內的氣流狀態又主要受進氣道結構的影響，通過對采用原氣道和新氣道的燃燒室進行瞬態仿真模擬，分析和比較兩者的氣體運動，可進一步驗證對原氣道進行的結構改進和優化是否合理。

對于柴油機缸內氣流運動運動的非穩態評價參數主要有瞬態渦流比和湍動能。

瞬態計算所需要的幾何模型參數基本與穩態計算模型一致，不同之處見表4。

表4 模型參數

圖16 網格模型

模擬流程：利用前處理軟件Hypermesh對模型進行面網格劃分并導入CONVERGETM軟件中；在CONVERGETM的UI中檢查面網格質量，并定義邊界條件；定義計算模型的網格參數、網格控制參數、發動機基本參數、子模型參數、計算過程控制參數、結果控制參數等。計算網格模型見圖16。

CONVERGETM軟件模擬模型的面網格邊界條件設置見表5。

表5 邊界設置

3.2 瞬態模擬結果

利用CONVERGETM軟件設置好模型參數以后，軟件將自動劃分體網格。CONVERGETM軟件采用AMR自適應加密，網格為理想正交的六面體網格。網格劃分完之后，在計算機的DOS命令符中,對原氣道和新氣道模型進行單線程計算。CONVERGETM對發動機分析常用的量自動創建輸出列表文件*.out，然后使用Excel表格打開，即得到瞬態模擬下的渦流比和湍動能等一系列數據。

使用畫圖軟件Origin Pro8，將得到的渦流比和湍動能(TKE)繪制成曲線圖，圖17示出瞬態渦流比曲線，圖18示出瞬態湍動能曲線。

由圖17可以看出：新氣道的渦流比要比原氣道的穩定，且在氣門升程最大值處新氣道渦流比比原氣道大；上止點以后，新氣道的渦流形成能力要強于原氣道，穩定而強烈的渦流有助于燃燒室內混合氣的充分燃燒。由圖18可以看出，兩者湍動能趨勢大致相同，但是新氣道的湍動能要明顯大于原氣道，這有利于缸內氣體充分的混合燃燒。可以看出，新螺旋進氣道各方面的性能均優于原氣道，說明結構優化效果明顯。

圖17 瞬態渦流比曲線

圖18 瞬態湍動能曲線

4 結論

a) 新氣道的壓力和速度分布更加均勻，彎管喉口處的壓力集中減小很多，對進氣氣流的引導作用更加充分，減小氣流對氣門挺桿的沖擊，有利于混合氣的充分燃燒，提高發動機的性能；

b) 與原進氣道相比，改進后的氣道進氣性能提高15%左右，渦流產生能力提高20%左右，充氣效率明顯提高；

c) 穩態和瞬態數值模擬可以在比較短的時間內獲取氣道和缸內的流動特性，節省了人力、財力，為柴油機進氣系統結構的優化提供了理論指導。

[1] Stone C R. The Measurement and Analysis of Swirl in Steady Flow[C].SAE Paper 921624,1992.

[2] 周龍保.內燃機學[M].2版.北京：機械工業出版社,2006.

[3] 范永奇,張澤豹,姚建明,等.基于CATIA的柴油機螺旋氣道設計及數值模擬[J].內燃機,2011(6):27-30.

[4] Rathnaraj J D, Bose B J R, Kumar M N. Simulation and Experimental Investigation of Variable Swirl Intake Port in DI Diesel Engine Using CFD[C]//ASME 2006 2nd Joint U.S.-European Fluids Engineering Summer Meeting Collocated With the 14th International Conference on Nuclear Engineering American Society of Mechanical Engineers.Miami:ASME,2006:203-210.

[5] Payri F, Benajes J, Margot X, et al. CFD modeling of the in-cylinder flow in direct-injection Diesel engines[J]. Computers & Fluids,2004,33(8):995-1021.

[6] Benny P, Ganesan V. Flow field development in a direct injection diesel engine with different manifolds[J]. International Journal of Engineering Science & Technology,2010(1):80-91.

[編輯： 潘麗麗]

3D Simulation and Structure Optimization for Helical Intake Port of Diesel Engine

ZHANG Qingcai, GAO Chao, WANG Renren

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Qilu University of Technology, Ji’nan 250353, China)

Based on the computational fluid dynamic technological theory, the helical intake port of new-typed 6160 marine diesel engine was analyzed with AVL Fire software and the flow coefficient, the swirl ratio and the cloud picture of flow field characteristics were acquired. The defects of original intake port were modified and optimized with the software of CATIA and then the steady and transient evaluations were conducted. The results show that the charge performance of optimized helical intake port increases by about 15% and the generating ability of swirl flow increased by about 20%.

computational fluid dynamic(CFD); helical intake port; numerical stimulation; structure optimization

2015-11-02；

2016-03-16

濟南市高校自主創新計劃項目(201004016)

張慶才(1988—)，男，碩士，主要研究方向為內燃機進排氣系統的優化設計；18765831968@163.com。

王仁人(1962—)，男，教授，博士，主要研究方向為內燃機節能與排放；wrr@qlu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.004

TK423.44

B

1001-2222(2016)03-0020-05