基于一維-三維耦合仿真的進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化方法

董江峰, 孫淑慧, 仲蕾, 陳晉兵, 王尚學(xué), 牛海杰

(1. 中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400; 2. 天津市熱電設(shè)計(jì)院有限公司, 天津 300000 )

基于一維-三維耦合仿真的進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化方法

董江峰1, 孫淑慧2, 仲蕾1, 陳晉兵1, 王尚學(xué)1, 牛海杰1

(1. 中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400; 2. 天津市熱電設(shè)計(jì)院有限公司, 天津 300000 )

提出了基于一維-三維耦合仿真的進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化方法，此方法兼具CFD對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)三維流動(dòng)特性準(zhǔn)確描述與一維仿真對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)全局控制的優(yōu)點(diǎn)。建立了進(jìn)氣歧管三維模型，采用GT-Power軟件進(jìn)行缸內(nèi)工作過程模型仿真，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定仿真模型。通過一維-三維耦合仿真計(jì)算得到進(jìn)氣歧管各轉(zhuǎn)速下的流動(dòng)參數(shù)，以此作為CFD仿真的邊界條件，優(yōu)化進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過整機(jī)試驗(yàn)對(duì)進(jìn)氣歧管流動(dòng)性能進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠較好地指導(dǎo)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)。

內(nèi)燃機(jī)； 仿真； 進(jìn)氣歧管； 進(jìn)氣均勻性

油氣混合的質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程及整機(jī)性能有著十分重要的影響，而進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣會(huì)影響其流動(dòng)特性，進(jìn)而影響油氣混合質(zhì)量。為提高各缸進(jìn)氣均勻性，降低流通阻力，需要對(duì)進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在滿足各缸進(jìn)氣均勻性的條件下，盡可能減小流通阻力，增加進(jìn)氣量，從而增加有效功的循環(huán)輸出量，提高柴油機(jī)功率密度，同時(shí)滿足排放法規(guī)要求，這些在工程應(yīng)用中也是重要的內(nèi)容[1-5]。

國內(nèi)外在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的流動(dòng)特性研究方面做了很多工作。Hoong T Toh等研究了進(jìn)氣歧管幾何結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)氣體流動(dòng)的影響規(guī)律[6]；Cui Y等以整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)作為研究對(duì)象，研究了多缸發(fā)動(dòng)機(jī)中間氣缸與其他氣缸的流量及總壓變化[7]；Y.L.Qi等研究了在進(jìn)氣沖程時(shí)進(jìn)氣門上游漩渦對(duì)缸內(nèi)流動(dòng)的影響規(guī)律，揭示了滾流率和充量系數(shù)的提高途徑[8]；藍(lán)志寶等應(yīng)用CFD方法進(jìn)行了進(jìn)氣歧管的開發(fā)研究[9-10]；王文、王興海等對(duì)進(jìn)排氣壓力波對(duì)缸內(nèi)燃燒的影響規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究[11-12]。本研究對(duì)某8缸柴油機(jī)的進(jìn)氣歧管/氣門室氣腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在提高了各缸進(jìn)氣均勻性的同時(shí)，保證了整機(jī)設(shè)計(jì)的緊湊性。

1 計(jì)算模型

1.1 數(shù)值優(yōu)化流程

柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的氣道較為復(fù)雜，不能忽略三維結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)特性的影響，而進(jìn)氣流量均勻性、充氣效率等指標(biāo)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能，所以對(duì)進(jìn)氣管道內(nèi)氣體流動(dòng)特性進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化極為重要。

目前進(jìn)排氣系統(tǒng)的計(jì)算流體力學(xué)模擬有以下幾種模型可供選擇：一維CFD模型、三維CFD模型和混合模型?；旌夏Ｐ褪侵高M(jìn)排氣系統(tǒng)中既有一維模型又有三維模型，通過兩者結(jié)合求解整個(gè)進(jìn)排氣系統(tǒng)的流動(dòng)特性，既利用了一維模擬計(jì)算效率高的優(yōu)勢(shì)，又實(shí)現(xiàn)了進(jìn)排氣系統(tǒng)中關(guān)鍵部件形狀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的分析[13-14]。

本研究以進(jìn)氣流量均勻性最佳為耦合仿真的優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)各仿真工具的特點(diǎn)，提出一維-三維耦合的進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化流程(見圖1)。

圖1 進(jìn)排氣系統(tǒng)優(yōu)化流程

1.2 計(jì)算工況及模型驗(yàn)證

采用GT-Power軟件建立了柴油機(jī)的整機(jī)仿真計(jì)算模型，燃燒模型采用DI-JET燃燒模型。采用臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表1，試驗(yàn)工況為標(biāo)定工況。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

缸內(nèi)壓力計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比見圖2。通過比較發(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，最大誤差在5%左右，表明本研究所構(gòu)建的整機(jī)子系統(tǒng)模型、初始條件和邊界條件的設(shè)置均具有足夠的精度和置信度，能夠滿足整機(jī)性能預(yù)測(cè)要求。

圖2 實(shí)測(cè)缸壓與仿真結(jié)果對(duì)比

采用一維-三維耦合仿真方法研究進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)對(duì)整機(jī)性能的影響規(guī)律，進(jìn)氣歧管流場(chǎng)采用三維CFD仿真，其余發(fā)動(dòng)機(jī)部件及性能采用一維仿真。其中，一維進(jìn)氣管用GT-Power中的CFD-Component模塊及CFD-Connections模塊代替，進(jìn)氣歧管三維模型(見圖3)的最大網(wǎng)格尺寸為4 mm，利用GT-Power的*.dat文件將一維與三維模型進(jìn)行了耦合(見圖4)。

圖3 進(jìn)氣歧管三維模型網(wǎng)格劃分

圖4 一維-三維耦合仿真模型

2 結(jié)果分析

2.1 進(jìn)氣歧管計(jì)算結(jié)果

氣缸容積一定時(shí)，在相同的進(jìn)氣狀態(tài)下若能吸入更多的新鮮空氣，意味著允許噴入更多的燃料，在同樣的燃燒條件下可以獲得更多的指示功[15]，所以同等進(jìn)氣條件下的空氣質(zhì)量流量是評(píng)價(jià)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要指標(biāo)。

本研究中V8柴油機(jī)兩側(cè)進(jìn)氣歧管完全對(duì)稱，左右兩側(cè)的發(fā)火順序都是1—3—4—2，下文均以左排氣缸為表述對(duì)象。由于原機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含兩個(gè)進(jìn)氣腔，而且內(nèi)腔截面形狀多變，整個(gè)系統(tǒng)的流通阻力較大。為此在保證總氣腔容積不變的條件下，將原機(jī)的雙進(jìn)氣腔體改為常規(guī)的單進(jìn)氣腔結(jié)構(gòu)型式(見圖5)，之后進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后各缸進(jìn)氣流量的仿真計(jì)算。發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下各缸的進(jìn)氣質(zhì)量流量計(jì)算結(jié)果見圖6，圖中“0”表示原氣腔，“1”表示改進(jìn)氣腔。

圖5 改進(jìn)前后進(jìn)氣腔結(jié)構(gòu)

圖6 各缸進(jìn)氣流量

從圖6可以看到，改進(jìn)型進(jìn)氣歧管較之原進(jìn)氣歧管的質(zhì)量流量有所增加，在低轉(zhuǎn)速工況提高幅度不明顯，而轉(zhuǎn)速提高至2 300 r/min時(shí)，進(jìn)氣流量明顯提高。另外，與雙進(jìn)氣腔進(jìn)氣歧管相比，單進(jìn)氣腔進(jìn)氣歧管中距進(jìn)氣口較遠(yuǎn)的4缸出氣口氣體流量均勻性更差。

為了定量地表達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣不均勻程度，定義進(jìn)氣流量不均勻度為

(1)

式中： ΔM為氣缸進(jìn)氣流量的不均勻度；Mmax為氣缸最大進(jìn)氣流量；Mmin為氣缸最小進(jìn)氣流量；Mmean為各缸平均進(jìn)氣流量。

表2示出發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下各缸的進(jìn)氣均勻性比較。從表2中可以看出，對(duì)于改進(jìn)的進(jìn)氣方案，在不影響高轉(zhuǎn)速工況進(jìn)氣均勻性的條件下，低轉(zhuǎn)速工況(如800r/min和1 200r/min)的進(jìn)氣均勻性有所改善。

表2 各缸進(jìn)氣流量的不均勻度

2.2 進(jìn)氣歧管CFD優(yōu)化

2.2.1 CFD計(jì)算邊界條件及工況

根據(jù)優(yōu)化流程，為了進(jìn)一步優(yōu)化進(jìn)氣歧管的幾何結(jié)構(gòu)，將一維計(jì)算結(jié)果作為CFD優(yōu)化仿真的邊界條件，即進(jìn)口為質(zhì)量流量邊界，出口為壓力出口邊界，使用CFD工具對(duì)改進(jìn)方案的進(jìn)氣歧管進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，改進(jìn)進(jìn)氣狀態(tài)不佳的幾何結(jié)構(gòu)，計(jì)算工況見表3。

表3 穩(wěn)態(tài)計(jì)算工況

2.2.2 CFD仿真結(jié)果

圖7示出改進(jìn)型進(jìn)氣歧管在2 300 r/min下的氣體流動(dòng)跡線分布，流動(dòng)不順暢的部位主要集中在進(jìn)氣歧管矩形截面的外直角處(圖中標(biāo)出位置)，這是因?yàn)橹苯墙Y(jié)構(gòu)處為流動(dòng)死區(qū)，造成流動(dòng)分離，導(dǎo)致氣體流動(dòng)不暢。

圖7 改進(jìn)型進(jìn)氣歧管流線(2 300 r/min)

圖8示出改進(jìn)型進(jìn)氣歧管總壓分布，總壓損失過大的部位主要為進(jìn)氣歧管外側(cè)面的向內(nèi)圓角凹陷位置，這些凹陷造成了流場(chǎng)在流動(dòng)方向的彎曲，管道截面的流通面積減小，從而造成了流動(dòng)分離，導(dǎo)致壓力損失增大。

圖8 改進(jìn)型進(jìn)氣歧管總壓云圖(2 300 r/min)

2.2.3 改進(jìn)型進(jìn)氣歧管的優(yōu)化

根據(jù)以上對(duì)CFD結(jié)果的分析，針對(duì)流動(dòng)不暢及總壓損失過大的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，主要改進(jìn)部位有兩處，首先將直角截面改為圓角截面，其次將外側(cè)面的凹陷結(jié)構(gòu)補(bǔ)平，從而得到改進(jìn)型進(jìn)氣歧管的優(yōu)化方案(見圖9)。

圖9 改進(jìn)型進(jìn)氣歧管的進(jìn)一步優(yōu)化

對(duì)優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管進(jìn)行一維-三維耦合仿真，并將其結(jié)果與優(yōu)化前進(jìn)氣歧管進(jìn)行比較，圖10示出發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速外特性工況下各缸進(jìn)氣量分布情況，表4示出各缸進(jìn)氣流量的不均勻度。

圖10 各缸質(zhì)量流量

方案轉(zhuǎn)速/r·min-1(Mmax-Mmin)/kg·h-1Mmean/kg·h-1ΔM/%優(yōu)化前8003．24135．362．3612008．64193．754．39180023．76303．127．83230049．68396．4512．44優(yōu)化后8004．26140．113．0412004．94199．782．47180014．18305．494．64230025．92394．216．58

如圖10所示，在低轉(zhuǎn)速工況，進(jìn)氣歧管優(yōu)化前后各缸的進(jìn)氣流量分布不同，但平均進(jìn)氣流量大致相等。從表4中可以看出，在進(jìn)氣均勻性方面，各轉(zhuǎn)速下，優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管流通特性比優(yōu)化前有了很大改善，尤其是高轉(zhuǎn)速工況進(jìn)氣均勻性提高了50%左右。

高轉(zhuǎn)速工況進(jìn)氣歧管優(yōu)化后的流線圖見圖11，可以看到，優(yōu)化前進(jìn)氣歧管流動(dòng)不順暢的部位已經(jīng)變得流暢，流線沒有較大彎曲。從圖12的總壓分布圖可以看到，優(yōu)化后方案的總壓損失過大的部位雖然存在，但該部位并沒有發(fā)生明顯的流動(dòng)分離。

圖11 優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管流線圖(2 300 r/min)

圖12 優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管總壓云圖(2 300 r/min)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了確保進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)的可靠性，在發(fā)動(dòng)機(jī)氣道試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了優(yōu)化后進(jìn)氣歧管的試驗(yàn)驗(yàn)證。通過試驗(yàn)室鼓風(fēng)機(jī)控制進(jìn)口質(zhì)量流量，通過非標(biāo)工裝將非試驗(yàn)管道出口封閉，分別在進(jìn)出口處布置壓力傳感器并在出口處布置溫度傳感器及體積流量傳感器。試驗(yàn)工況見表3。

表5示出優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果的對(duì)比，結(jié)果顯示，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果非常吻合，這表明仿真結(jié)果可信，優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)滿足性能要求。

表5 改進(jìn)方案試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

發(fā)動(dòng)機(jī)系列化設(shè)計(jì)中，經(jīng)常需要對(duì)進(jìn)排氣管路進(jìn)行優(yōu)化。本研究給出了一種評(píng)價(jià)管路幾何改變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)性能影響的仿真方法及優(yōu)化流程，研究結(jié)果表明該方法能較好地指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改型設(shè)計(jì)。

進(jìn)氣歧管幾何結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)特性的敏感性隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而明顯；單進(jìn)氣腔較之雙進(jìn)氣腔流量均勻性更好，尤其是雙進(jìn)氣腔進(jìn)氣歧管中距進(jìn)氣口較遠(yuǎn)的出氣口流量均勻性較差。流線順暢度及總壓損失是評(píng)價(jià)氣系統(tǒng)三維流場(chǎng)優(yōu)劣的主要指標(biāo)。

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[編輯: 李建新]

Optimization Method of Intake System Based on 1D and 3D Coupling Simulation

DONG Jiangfeng1, SUN Shuhui2, ZHONG Lei1, CHEN Jinbing1， WANG Shangxue1, NIU Haijie1

( China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China； 2. Tianjin Thermal Power Designing Institute Co., Ltd., Tianjin 300000, China)

An optimization method of intake system combining the advantages of describing 3D flow characteristics of intake system accurately and 1D global control was put forward based on 1D and 3D coupling simulation. The 3D model of intake manifold was established, the in-cylinder working process was simulated with GT-Power software and the simulation model was finally calibrated according to the test data. The flow parameters of intake manifold at each speed were acquired by 1D and 3D coupling simulation and then the structural parameters of intake manifold were optimized by taking the acquired parameters as boundary condition of CFD simulation. The flow performance of intake manifold was verified by engine test. The experimental results show that the method can guide the design of intake manifold well.

internal combustion engine; simulation; intake manifold; intake uniformity

2016-10-26;

2017-04-27

董江峰(1984—)，男，碩士，助理研究員，從事發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)與匹配技術(shù)研究;723307066@qq.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.02.010

TK413.44

B

1001-2222(2017)02-0056-06