汽油機(jī)進(jìn)氣管道造型及流動(dòng)特性仿真淺析

黃偉健 艾亞靈

摘 要：降低排放減少油耗是現(xiàn)在汽車(chē)發(fā)展的方向，進(jìn)氣系統(tǒng)是影響汽車(chē)排放 油耗和動(dòng)力的重要因素之一。進(jìn)氣道優(yōu)良指標(biāo)有進(jìn)氣道的光滑程度，氣門(mén)座圈倒角，還有其進(jìn)氣壓力，進(jìn)氣的流動(dòng)特性都是其重要的影響因素。本文以汽油機(jī)進(jìn)氣道模擬仿真為研究對(duì)象，在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上，應(yīng)用動(dòng)態(tài)分解軟件UG提取進(jìn)氣道模型，并將其進(jìn)行整合加裝進(jìn)氣導(dǎo)管，再生產(chǎn)網(wǎng)格。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣系統(tǒng);油耗;進(jìn)氣道模型;流動(dòng)特性

1.進(jìn)氣道研究的背景

發(fā)動(dòng)機(jī)已成為當(dāng)代社會(huì)不可缺少的動(dòng)力配備，不管是飛機(jī)、艦艇還是汽車(chē)，都離不開(kāi)它。動(dòng)力設(shè)備的輸出功率占所有設(shè)備總功率67.5%，燃油消耗占所有使用能源63.2%，是環(huán)境污染的最大來(lái)源之一，所排放的廢氣約占工業(yè)廢氣的44.96%。因此，從節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的角度來(lái)看，人們不僅需要高輸出功率，更小燃油消耗，又同時(shí)滿足嚴(yán)格的排放法規(guī)（低排放或零排放）。影響這些性能的因素是多方面的，無(wú)論是壓燃和點(diǎn)燃，無(wú)論兩沖程四沖程，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)都重要的影響因素之一。增大進(jìn)入的新鮮空氣的質(zhì)量，從而增大功率和扭矩，達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力最優(yōu)化。同時(shí)快速的清除，細(xì)化在發(fā)動(dòng)機(jī)的混合氣在氣缸內(nèi)均勻分布，增加進(jìn)氣充量。

2.進(jìn)氣道的研究過(guò)程

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道提取過(guò)程，先用軟件UG在K14B氣缸蓋上進(jìn)行分割提取，在使用CFD確定其造型，在進(jìn)氣道上部分做網(wǎng)格使其更加光滑，再用兩條引導(dǎo)線一個(gè)圓截面拉出來(lái)腿部的結(jié)構(gòu)，接著過(guò)做一條直線再拉伸成平面，最后把空余的部分用網(wǎng)格補(bǔ)齊。用CAM軟件進(jìn)行優(yōu)化，完成后可以計(jì)算進(jìn)氣管內(nèi)的三維流動(dòng)，分析流動(dòng)特性，給缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)做研究。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程是個(gè)復(fù)雜的立體三維流動(dòng)過(guò)程，在計(jì)算機(jī)快速發(fā)展的今天，我們不需要像傳統(tǒng)單一的實(shí)驗(yàn)研究，更多的是用電腦完成。我們把提取好的進(jìn)氣道導(dǎo)入到CDF中建立好數(shù)字模型，在通過(guò)UG的計(jì)算分析和STAR-CCM+得到的數(shù)據(jù)來(lái)完成設(shè)計(jì)。氣道曲面的光滑程度，氣體流動(dòng)的流動(dòng)阻力;氣體充氣系數(shù)，氣流進(jìn)入氣缸內(nèi)可以形成與燃燒系統(tǒng)匹配的渦流比。滿足給定渦流強(qiáng)度下進(jìn)氣道可以達(dá)到最好的流動(dòng)特性。

3.研究CFD發(fā)展過(guò)程及應(yīng)用

在以前的研究中沒(méi)有計(jì)算機(jī)的應(yīng)用我們必須通過(guò)具有的實(shí)驗(yàn)，得到的參數(shù)也比較有限，不能更直觀的看到起流通特性和氣需要改進(jìn)的方向。因?yàn)槿鄙佻F(xiàn)代化的計(jì)算工具，發(fā)動(dòng)機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)就要做出很多不符合現(xiàn)實(shí)情況的假設(shè)，就是為了使計(jì)算可以進(jìn)行。因?yàn)檫@些計(jì)算不能歸納許多現(xiàn)實(shí)過(guò)程中遇到的復(fù)雜成分，所以這些計(jì)算對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的研究起不到有效的指導(dǎo)作用。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以用儀器檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)也得不到相關(guān)的信息，所以就要運(yùn)用多維的數(shù)值模擬。用流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算的研究方法對(duì)進(jìn)氣道進(jìn)行計(jì)算分析有下面的優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過(guò)分析進(jìn)氣道機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)與計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣道性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的關(guān)系，從中找出影響進(jìn)氣道性能的決定性參數(shù)，用來(lái)指導(dǎo)實(shí)際工作，減少工作的盲目性。

（2）可獲得實(shí)驗(yàn)不能測(cè)量或難測(cè)量的結(jié)果，是對(duì)研究的一個(gè)重要補(bǔ)充;

（3）方便對(duì)氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，找出進(jìn)氣道性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形狀。

但是，運(yùn)用流場(chǎng)計(jì)算的研究方法對(duì)進(jìn)氣道進(jìn)行三維數(shù)值模擬時(shí)，也存在以下困難：

（1）反應(yīng)計(jì)算幾何模型的計(jì)算網(wǎng)格生成困難，因?yàn)樵谧瞿M的時(shí)候會(huì)做不同程度的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化就會(huì)造成模擬計(jì)算失去本來(lái)的特性，尤其在氣門(mén)升程2mm-3mm的時(shí)候，模擬計(jì)算的結(jié)果會(huì)與實(shí)際的流動(dòng)特性差異較大。若是生成的網(wǎng)格不合理，就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算過(guò)程發(fā)散還會(huì)變得不穩(wěn)定;

（2）計(jì)算速度比較慢，由于網(wǎng)格即要要求精細(xì)，而且數(shù)目又要多，所以為了保證計(jì)算精度，必須使用局部加密網(wǎng)格的方法;

（3）邊界條件的確定依賴于經(jīng)驗(yàn)，所以盲目性較大。

4.其它軟件的介紹

CFD軟件是近代流體力學(xué)，幾何數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合的產(chǎn)生的，是一門(mén)強(qiáng)大科學(xué)技術(shù)。它以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種分散化的幾何數(shù)學(xué)方法，對(duì)流體力學(xué)的各類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值檢測(cè)、計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)造型的分析研究，以解決各種實(shí)際操作中的問(wèn)題。

STAR-CCM+軟件是由CD-adapco公司研發(fā)的通用計(jì)算流體力學(xué)分析軟件，它運(yùn)用了最先進(jìn)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值技術(shù)，擁有最新的網(wǎng)格生成技術(shù)，可以表面網(wǎng)格重新生成、自動(dòng)體網(wǎng)格生成。

5.結(jié)論及展望

分析了流體動(dòng)力效應(yīng)和進(jìn)氣道造型進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣效率的影響，并用UG軟件，初步得到K14B進(jìn)氣道效率的具體參數(shù)。

其次，在理論設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用UG 進(jìn)行網(wǎng)格生成，在通過(guò)STARccm進(jìn)行氣體仿真的動(dòng)態(tài)分型，在進(jìn)氣道進(jìn)行氣體的流速和壓力的觀察和計(jì)算。實(shí)驗(yàn)可以看出氣道內(nèi)氣流流速分布均勻性同發(fā)動(dòng)機(jī)的性能有著密切關(guān)系，氣道越光滑彎曲角度越小其阻力越小。不同氣門(mén)開(kāi)度大小不同進(jìn)氣門(mén)周?chē)鷼饬髁魉俜植家膊灰粯?，一般在氣門(mén)開(kāi)度小時(shí)氣流流速較小，但流速分布較均勻。隨著氣門(mén)升大氣流流速也增大，分布均勻性就變差。氣門(mén)導(dǎo)管臺(tái)階對(duì)氣流流速及其分布有一定影響，和壓縮過(guò)程中流量分布預(yù)測(cè)，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的進(jìn)一步研究減少排放，提高動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能的內(nèi)燃機(jī)。

UG和其他輔助發(fā)動(dòng)機(jī)工程理論和計(jì)算機(jī)性能的提高進(jìn)行了深入的研究，將仿真結(jié)果更精確，模擬計(jì)算的結(jié)果將會(huì)更加精確，在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)和改進(jìn)設(shè)計(jì)的模擬將成為更大的實(shí)用價(jià)值。

（1）進(jìn)氣道造型仿真分型需要整機(jī)來(lái)進(jìn)行模擬分析，僅研究進(jìn)氣道模擬仿真不能直接用于實(shí)際的設(shè)計(jì)生產(chǎn)，本文的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件有限，不能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）研究室是氣道穩(wěn)態(tài)，在研究過(guò)程中我們假定不管進(jìn)氣還是排氣都是不變的，在實(shí)際工作中不管進(jìn)氣還是排氣都是不斷變化的，在以后計(jì)算機(jī)跟先進(jìn)的時(shí)候，我們可以使用氣道的瞬態(tài)模擬。

（3）在氣道的模擬仿真中，活塞也是一個(gè)影響因素，在今后的模擬仿真中，要把活塞的運(yùn)動(dòng)也考慮進(jìn)去。

參考文獻(xiàn)

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[3]《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)》徐兀編著 人民交通出版社 1995年第一版

（作者單位：1.瑞金中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校;2.金溪縣鑫悅汽修汽配店）