基于AVL FIRE的柴油機試驗臺架排氣系統內部流場的數值分析

李春紅，韋海燕

基于AVL FIRE的柴油機試驗臺架排氣系統內部流場的數值分析

李春紅，韋海燕

（廣西大學機械工程學院，廣西南寧，530004）

針對小型柴油機試驗臺架排氣管接頭拆裝麻煩、流通特性不好、影響測量準確度等的問題，提出采用滑板式排氣管接頭代替原裝的排氣管接頭，建立了GD190柴油機試驗臺架排氣系統的計算流體動力學（CFD）模型，應用AVL FIRE軟件進行仿真分析和對比試驗，數值模擬結果表明，滑板式排氣管接頭具有良好的流通特性和較大排氣的質量流量，但流場中存在氣體流動不順暢，也有明顯的渦流存在，對其結構尺寸進一步優化，保證試驗臺架測試的準確度。

AVL FIRE；排氣系統；流場；數值模擬

通過發動機臺架試驗可以檢查出廠產品是否達到設計所要求的動力性能、經濟性能以及可靠性指標[1]。隨著發動機行業的發展，當前幾乎所有的發動機生產廠家都同時生產多種機型，而每一臺發動機出廠前都要進行臺架試驗，因此小型發動機廠臺架試驗室都具有多個試驗臺架，而且對試驗臺架的適用性要求越來越高，同時還需保證試驗的準確度和精度，不影響發動機的性能。

GD190柴油機是小功率農用柴油機，在進行臺架試驗時，存在排氣管接頭的拆裝比較麻煩、流通特性不好等問題[2]。為了保證試驗的準確度和精度，提高試驗臺架使用的靈活性，對企業的試驗臺架進行了優化設計。本文提出了一種滑板式的排氣管接頭，對試驗臺架排氣系統內部流場進行三維仿真分析，探討排氣管接頭的結構對排氣系統流通特性的影響，并與原裝的排氣管接頭進行試驗對比，解決試驗臺架排氣管接頭結構不合理，影響發動機性能的問題。

1 原裝臺架和標準臺架的試驗對比

1.1 試驗用發動機的簡單介紹

本文采用的GD190柴油機，GD190柴油機是采用四沖程、水冷、直噴式小功率農用柴油機，其設計的主要參數表1所示。

表1 GD190柴油機的設計主要參數

1.2 兩種試驗臺架的簡單介紹

進行小型發動機臺架試驗時，常需要將發動機氣缸蓋上的排氣道出口與試驗臺架上的排氣管接頭對接，以便將廢氣排入地下煙道。測功機的排氣管座是固定在測功機試驗臺上的，而不同型號發動機從曲軸中心到氣缸蓋上的排氣孔中心距離不一樣。原裝的試驗臺架不適用于GD190柴油機，需要重新設計排氣管接頭，并且每次要進行GD190柴油機試驗時，需要更換與該發動機型號對應的排氣管接頭，拆裝也比較繁瑣。

從試驗臺架的適用性出發，對原排氣管接頭進行了改裝，并進行臺架試驗，原排氣管接頭和原結構改裝排氣管接頭的幾何模型如圖1所示。為了確保試驗臺架測試的準確度，將GD190柴油機與在標準試驗臺架上測試得到的性能參數進行對比。標準試驗臺架已經經過標定，其排氣管是一根直徑與排氣道相同的彎管。

圖1 排氣管接頭的幾何模型

1.3 試驗對比

分別在標準臺架和安裝原結構改裝排氣管接頭的臺架上，對柴油機進行額定工況的臺架試驗，并將排氣背壓和發動機的部分性能指標的試驗結果進行對比。

（1）排氣背壓的對比

排氣背壓對發動機的經濟性和動力性有著重要的影響，合理的排氣背壓對發動機的性能至關重要。排氣背壓過大，會導致充氣損失增加，從而使得發動機燃燒效率下降，燃油經濟性惡化，功率輸出降低；排氣背壓過小會使得排氣系統開發成本增大[3]。

試驗標準[4]中規定，排氣背壓值是指在距離排道出口75 mm處的排氣背壓值，但鑒于排氣管接頭的入口的中心的偏置，形成了一段截面積較小的通道，會使得接頭入口壓力升高，則又測量了距離排氣道出口10 mm處排氣背壓值。兩種試驗臺架的兩個位置的排氣背壓值的測量結果如表2所示。

表2 標準臺架和原裝臺架的排氣背壓值

試驗標準[4]中規定，排氣背壓應當按制造廠的規定或低于6.7 kPa.從表3可以看出，標準臺架的排氣背壓值都屬于合理范圍內，而原裝臺架的75 mm處的排氣背壓值雖然處于合理范圍，但10 mm處的排氣背壓值過大，遠遠超過了規定的數值6.7 kPa.

（2）發動機性能指標的對比

標準臺架和原裝臺架的性能指標值如表3所示。

表3 標準臺架和原裝臺架的性能指標值

GD190柴油機在額定工況下的額定功率是7 kW，燃油消耗量應該小于等于260 g/kW·h.從表3中可知，標準臺架的測量出的性能指標測量值接近設定值，在合理范圍內；但是使用原裝的發動機臺架時，發動機的有效功率和有效扭矩明顯偏低，燃油消耗率明顯超出了額定值，且在試驗過程中，排氣管出現發紅的現象。

經過以上的對比可知，原裝試驗臺架進行不同型號的發動機試驗，排氣管接頭的拆裝較為麻煩，靈活性較低；即使經過改進，臺架適用性提高，但試驗數據表明臺架測量準確度低，有必要對臺架的排氣系統內部結構進行研究分析，找出影響發動機性能的原因，并對其結構進行優化。

2 對應于改裝接頭的臺架排氣系統的三維數值模擬

2.1 試驗臺架排氣系統的簡單介紹

試驗臺架的排氣系統主要包括：排氣管接頭、排氣管座和排氣總管。其排氣路徑圖2所示，試驗臺架排氣系統的幾何模型如圖3所示。

圖2 原裝臺架排氣系統的排氣路徑

以上是GD190柴油機試驗臺架排氣系統，其中排氣管接頭已經過改裝，在不改變試驗臺架排氣管布置的基礎上，采用偏置排氣入口以對接GD190柴油機的排氣道出口。但此由于排氣管接頭入口的直徑固定，只適用于GD190型柴油機，不適用于GD16、GD170和GD180等其他機型。

2.2 網格劃分

使用UG軟件構建出兩種排氣系統的幾何模型，并運用fire自帶的FIRE FAME Hexa模塊進行網格劃分，最終生成的排氣系統計算網格如圖4所示。

圖4 對應于改裝接頭的臺架排氣系統的計算網格

2.3 邊界條件的設定

在三維穩態流動計算中，主要涉及的邊界條件包括進出口邊界條件和壁面溫度，為了對比分析二種排氣管接頭對排氣系統流通性能的影響，對試驗臺架二種排氣系統都設置了相同的邊界條件：進口邊界條件：采用總壓力入口條件，為101 325 Pa；出口邊界條件：采用靜壓力出口條件，為97 895 Pa；壁面采用無滑移邊界條件，壁面溫度設為300 K.

2.4 計算結果及分析

2.4.1 三維空間流線分析

如圖5所示，排氣系統中的排氣總管內的流線較為順暢，排氣管座內流線扭曲的十分厲害，在靠近排氣總管的一端存在有較明顯的渦流。由于排氣管接頭入口的偏置，使得排氣管座彎管處存在較明顯的回流現象，在上排氣管的彎管連接處和下排氣管的入口出由多個區域形成了渦流。在這些形成渦流的區域內，不同流速的流體相互碰撞和摩擦會造成阻力損失和能量損失，對排氣流通性造成一定程度的影響。

（續下圖）

（續上圖）

圖5 對應于改裝接頭的臺架排氣系統的計算網格

2.4.2 速度場分析

如圖6所示，從圖中來看，排氣總管速度分布十分均勻，排氣管座內的速度分布并不均勻。流體由排氣道流入接頭，排氣管接頭直接連接排氣道和排氣管座，由于入口的偏置和流通截面積的突變，在入口處形成了高速區和低速區。流體以較大速度從一側流入排氣管座，排氣管座的前半部分中的兩側流體的流速相差加大，在排氣管座的彎曲處，由于管道彎曲部分流體由于碰撞壁，在排氣管座內形成了較為明顯的回流，并在彎管的兩側形成了小尺寸的渦流，這大大影響了排氣系統的流通性。

圖6 對應于改裝接頭的臺架排氣系統的速度矢量圖

2.4.3 壓力場分析

由圖7可以看出，由于入口的偏置，在排氣管接頭入口的一側和排氣管座入口的一側都形成了明顯的高壓區和低壓區。排氣管接頭入口處的壓力梯度約為4 709 Pa；排氣管座入口處的壓力梯度約為3 612 Pa，在這兩個區域產生了較大的壓力損失，對流動產生較大阻力。此外，在彎管連接處形成了面積較大的高壓區，其最大壓力約為100 099 Pa，這些高壓區的都會對流體的流動產生阻力，對排氣系統的流通性能產生一定的影響。

圖7 對應于改裝接頭的臺架排氣系統的壓力分布云圖

3 排氣管接頭的優化

綜合上述排氣系統內部的流動分析可知，原接頭無法進行試驗需要進行改裝，改裝后的接頭中有一小段橫截面積較小的過渡管，使得臺架中的排氣管接頭處和排氣管座的彎管處的流動非常不順暢，需要對排氣管接頭的幾何結構進行進一步優化。

3.1 優化后排氣管接頭的簡單介紹

通過改變接頭的形狀來改善入口處的流動，還通過調整滑板來調整入口的位置，提高了臺架的靈活性。優化后的滑板式排氣管接頭的幾何模型如圖8所示。

圖8 滑板式排氣管接頭幾何模型圖

3.2 優化后試驗臺架排氣系統的三維數值模擬

3.2.1 網格劃分

優化后的試驗臺架排氣系統中只改變排氣管接頭的幾何結構，入口的偏置位移以及排氣管座與排氣總管的結構都不變，采用相同的方法對優化后試驗臺架排氣系統的幾何模型進行網格劃分，其計算網格如圖9所示。

圖9 滑板式排氣管接頭排氣系統計算網格

3.2.2 計算結果及分析

（1）三維空間流線分析

從圖10中的左視圖和右視圖可以看出，滑板式排氣管接頭采用矩形內腔之后，由接頭進入排氣管座的流線，順暢了許多，排氣管座前管內已經不存在回流的現象，在入口處也沒有形成渦流。但從俯視局部放大圖可以看出，排氣管座的下排氣管的流線扭曲的很厲害，靠近地排氣總管入口的區域形成了尺寸較大的渦流，流動十分不順暢，會對排氣系統的流通性產生影響。

圖10 滑板式排氣管接頭排氣系統三維空間流線圖

（2）速度場分析

從的速度矢量圖11可以看出，流體進入排氣管接頭的矩形腔體后，流速分布較為均勻。雖然一部分流體由于入口的偏置，在進入接頭后碰撞矩形腔體的壁面形成了回流，但大部分的流體由接頭進入排氣管座時都較為順暢，沒有存在明顯的渦流。但流體進入排氣管座后，有較大一部分流體在彎管處由于碰撞壁面沿著壁面往回流，這對系統的排氣流通性產生了一定程度的影響。

圖11 滑板式排氣管接頭排氣系統速度矢量圖

（3）壓力場分析

由圖12可以看出，滑板式排氣管接頭的矩形空腔內的壓力分布較為均勻，入口處已經沒有了明顯的高壓區和低壓區，這有利于提升整個排氣系統的排氣流通性。但在排氣管座入口的一側，由于排氣管接頭入口的偏置，形成了小面積的高壓區和低壓區，壓力梯度約為3 273 Pa，與原改裝接頭相比壓力梯度下降了1 436 Pa，大大減小了壓力損失。

圖12 滑板式排氣管接頭排氣系統壓力分布云圖

3.3 與標準臺架試驗對比

3.3.1 排氣背壓對比

由表4可以看出，試驗臺架安裝滑板式排氣管接頭后的排氣背壓值在合理范圍內，比標準臺架測得的排氣背壓值略大。

表4 標準臺架和采用滑板式排氣管接頭的試驗臺架的排氣背壓值

3.3.2 發動機性能對比

由表5可以看出，采用滑板式排氣管接頭的試驗臺架測量出發動機的功率與扭矩都大于標準臺架的測量值，雖然有效燃油消耗率大于標準臺架的測量值，但仍處于發動機的規定范圍內。由次可以看出，使用滑板式排氣管接頭的臺架進行發動機試驗，對發動機的動力性和經濟性影響更小，臺架的測量準確度度更高。

表5 標準臺架和滑板式排氣管接頭的試驗臺架的性能指標值

4 結束語

為了保證發動機性能試驗的準確度，要確保試驗臺架排氣背壓在要求的范圍內，而流通性對發動機性能的影響不容忽視，綜合上述的研究得出以下結論：

（1）對原裝排氣管接頭入口采用偏置結構，會在偏置的入口處形成明顯的高壓區和低壓區，造成較大的壓力損失，對整個試驗臺架的排氣系統的排氣流通性能造成了一定程度的影響，從而對發動機的性能產生了影響，并降低了整個試驗臺架的測量準確度。

（2）改變排氣管接頭的幾何形狀，增大接頭的空腔，將原排氣管接頭換成滑板式排氣管接頭，不僅可以提高試驗臺架排氣系統的排氣流通性，降低其對發動機動力性和經濟性的影響，從而提高試驗臺架的測量準確度，還可以通過移動滑板來調整排氣入口的位置，適用不同型號的發動機，大大提高了試驗臺架的靈活性，避免了拆裝接頭的麻煩。

（3）滑板式接頭雖然改善了排氣的系統的流通性和發動機的性能，但在排氣管座的彎管連接處和下排氣管內的部分區域仍有渦流，這些渦流會對排氣的流通性能產生一定的影響，需要的對排氣管座的彎管連接處的結構進行進一步的優化。

[1]朱世一.小型發動機臺架試驗測控系統的研制[D].南京：南京理工大學，2013.

[2]陸海涵，韋海燕，雷杰超，等.基于穩態流通特性的螺旋進氣道結構參數靈敏度分析[J].裝備制造技術，2014（10）：15-18.

[3]馬少康，梁濤，蘇艷君，等.排氣背壓對發動機性能影響的研究[J].小型內燃機與車輛技術，2015，44（2）：12-15.

[4]國家機械工業局.JB/T 21127-1999中小功率柴油機產品可靠性考核[S].北京：國家機械工業局，1999.

Numerical Simulation of the Flow Field in the Exhaust System of Diesel Engine Test Bench Based on AVL FIRE

LI Chun-hong，WEI Hai-yan
（School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi 5300007，China）

A computational fluid dynamic（CFD）model of the GD190 diesel engine was constructed for the heavy exhaust back pressure and the exhaust pipe redness of the small diesel engine test bench.Using the software of AVL FIRE to respectively analysis the flow characteristics inside the exhaust system connected by three kinds of exhaust pipe joint.Using flow characteristics and flow mass in the outlet to measure the quality of exhaust system. Numerical simulation results show that the sign of the ball joint is best，but the gas flow in the flow field is not smooth for that there are marked roll currents.It is necessary to optimize the structure size to ensure the measurement accuracy of the test bench.

AVL FIRE；exhaust system；flow field；numerical simulation

TK421.3

A

1672-545X（2017）07-0141-05

2017-04-02

李春紅（1992-），女，瑤族，廣西平南人，主要研究方向為：內燃機節能與排放控制。