煤礦用防爆水冷進(jìn)排氣歧管的仿真分析

王曉

(中煤科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

近年來,由于煤礦井下無軌輔助運(yùn)輸設(shè)備的快速發(fā)展，以防爆柴油機(jī)為動(dòng)力源的防爆車輛得到了廣泛的應(yīng)用。防爆柴油機(jī)相對其他動(dòng)力源,效率高、能耗小，但由于煤礦井下的特殊性，其與普通柴油機(jī)是有區(qū)別的[1-7],其結(jié)構(gòu)、性能、排放等需滿足MT 990—2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》的要求。因此，防爆柴油機(jī)及其部件的防爆設(shè)計(jì)成為煤礦防爆柴油機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是一個(gè)難點(diǎn)問題[8-11]。

進(jìn)氣歧管和排氣歧管是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)中非常重要的部件，因此進(jìn)氣、排氣歧管是柴油機(jī)進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)改造中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。對于某型防爆柴油機(jī)，其進(jìn)氣歧管和排氣歧管分布在缸體的一側(cè)，布置緊湊，空間有限，分開設(shè)計(jì)防爆進(jìn)氣歧管和防爆排氣歧管是不可行的。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)符合防爆要求的，將進(jìn)氣歧管和排氣歧管合理地集成在一塊的一體式水冷進(jìn)排氣歧管是非常必要的。本文應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)原理，對進(jìn)、排氣歧管內(nèi)部壓力和速度的分布進(jìn)行了模擬和分析，在此基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

1 進(jìn)排氣歧管氣體流動(dòng)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，其方程微分形式為[12-13]：

(1)

其動(dòng)量方程為：

(2)

(3)

能量方程微分形式為：

(4)

動(dòng)能方程為：

(5)

對于湍流效應(yīng)，工程上通常利用湍流模擬，通過數(shù)學(xué)模型來解決，以使湍流流動(dòng)的方程組封閉。湍流模型是雙方程模型中的一種，其計(jì)算量適中，針對工程上的流動(dòng)問題，能給出比較合理的結(jié)果，是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)及進(jìn)排氣系統(tǒng)內(nèi)氣體流動(dòng)計(jì)算中常采用的湍流模型，故本文采用雙方程模型來模擬湍流效應(yīng)。

k方程為：

(6)

ε方程為：

(7)

式中：δk為k方程中的常數(shù)；μl為ε方程中的常數(shù)。

2 進(jìn)排氣歧管的物理模型

某型防爆柴油機(jī)的一體式水冷進(jìn)排氣歧管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了保證防爆柴油機(jī)工作時(shí)該進(jìn)排氣歧管的外表面表溫不高于150 ℃，滿足MT 990—2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》的要求，該進(jìn)排氣歧管在進(jìn)排氣腔外增設(shè)水套，進(jìn)排氣歧管中進(jìn)氣腔和排氣腔中的氣體的外壁不直接和空氣接觸，而是被外側(cè)的水套包裹起來。當(dāng)防爆柴油機(jī)工作時(shí)，水套中的水不斷循環(huán)冷卻進(jìn)氣和排氣，使歧管中的尾氣溫度得到降低，形成了防爆柴油機(jī)尾氣冷卻的第一道冷卻裝置。

1-連接管；2-安裝孔；3-水腔2；4-水腔1；5-排氣脈沖腔；6-排氣口；7-進(jìn)氣口。圖1 一體式水冷進(jìn)排氣歧管的結(jié)構(gòu)示意圖

3 進(jìn)排氣歧管內(nèi)部流體分析

采用CFD分析方法對某型防爆柴油機(jī)一體式進(jìn)排氣歧管穩(wěn)流特性進(jìn)行分析研究。

圖2和圖3分別為一體式進(jìn)排氣歧管內(nèi)進(jìn)氣部分的內(nèi)部流動(dòng)y截面的壓力、速度場分布。從圖2和圖3中看出,從1缸到6缸隨著流動(dòng)路徑的增長，流體流速逐漸減小。

圖4為進(jìn)氣凸臺處速度場分布。從圖4可以看出，1缸和6缸進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣道接口處的凸臺處出現(xiàn)了流體流動(dòng)不暢，速度、壓強(qiáng)分布不均勻的現(xiàn)象。

圖2 進(jìn)氣y截面壓力分布

圖3 進(jìn)氣y截面速度分布

圖4 進(jìn)氣凸臺處速度分布

圖5和圖6分別為一體式進(jìn)排氣歧管內(nèi)排氣部分的內(nèi)部流動(dòng)y截面的壓力、速度場分布。從圖5和圖6中可以看出，排氣出口在前端，各缸氣體從排氣道流入后主要流向前段的出口區(qū)域，導(dǎo)致其末端(6缸后端)的歧管空間內(nèi)部流速較低。

圖5 排氣y截面壓力分布

圖6 排氣y截面速度分布

圖7為排氣凸臺處速度場分布。從圖7可以看出，各缸排氣歧管和排氣道接口處的凸臺出出現(xiàn)了流體流動(dòng)不暢，速度、壓強(qiáng)分布不均勻的現(xiàn)象。

圖7 排氣凸臺處速度分布

4 進(jìn)排氣歧管優(yōu)化后內(nèi)部流體分析

基于圖2～圖7的分析結(jié)果，結(jié)合該型防爆柴油機(jī)的實(shí)際工作情況，對該一體式水冷進(jìn)排氣歧管進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除了流動(dòng)死區(qū)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖8所示。

1-安裝孔；2-排氣脈沖空；3-排氣口；4-水腔1；5-水腔2；6-進(jìn)氣口。圖8 優(yōu)化后的一體式水冷進(jìn)排氣歧管的幾何模型

圖9 優(yōu)化后進(jìn)氣y截面壓力分布

圖9和圖10分別為優(yōu)化后一體式進(jìn)排氣歧管內(nèi)進(jìn)氣部分的內(nèi)部流動(dòng)y截面的壓力、速度場分布，圖11為優(yōu)化后進(jìn)氣凸臺處速度場分布。從圖9～圖11可以看出：

進(jìn)氣由歧管到氣道之間的過渡更順暢，y截面的速度分布與優(yōu)化前相比，歧管內(nèi)部速度分布更加均勻，局部低速區(qū)域得到緩解。進(jìn)氣凸臺處流動(dòng)分布得到顯著改善。

圖10 優(yōu)化后進(jìn)氣y截面速度分布

圖11 優(yōu)化后進(jìn)氣凸臺處速度分布

圖12和圖13分別為優(yōu)化后一體式進(jìn)排氣歧管內(nèi)排氣部分的內(nèi)部流動(dòng)y截面的壓力、速度場分布,圖14為優(yōu)化后排氣凸臺處速度場分布。

圖12 優(yōu)化后排氣y截面壓力分布

圖13 優(yōu)化后排氣y截面速度分布

圖14 優(yōu)化后排氣凸臺處速度分布

從圖12～圖14中可以看出：與優(yōu)化前相比，排氣由歧管到氣道之間的過渡更順暢，y截面的速度和壓力分布更加均勻，局部低速區(qū)域得到緩解。排氣凸臺處流動(dòng)分布比優(yōu)化前順暢很多，速度和壓力的分布也比優(yōu)化前均勻。

5 結(jié)論

從解決防爆柴油機(jī)進(jìn)排氣布置在缸體一側(cè)的目標(biāo)出發(fā)，基于進(jìn)排氣流體數(shù)學(xué)模型和《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，對一體式水冷進(jìn)排氣歧管進(jìn)行了仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的一體式水冷進(jìn)排氣歧管，進(jìn)排氣由歧管到氣道之間的過渡更順暢，截面的速度和壓力分布更加均勻，局部低速區(qū)域得到緩解；進(jìn)排氣凸臺處流動(dòng)分布比優(yōu)化前順暢很多，速度和壓力的分布也比優(yōu)化前均勻。