基于1D和3D耦合的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管仿真研究

王學(xué)超　杜延義　陸國祥　王曉燕

摘 要：進(jìn)氣系統(tǒng)在很大程度上影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。前期建立了一維仿真模型，比較真實(shí)的反映了發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，但還是未能真實(shí)的反映出管道的真實(shí)結(jié)構(gòu)，像一些拐角、突變區(qū)域等。進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)校驗(yàn)中，雖然三維穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算能夠模擬各個(gè)支管的壓力分布情況，但是僅用三維計(jì)算不能實(shí)時(shí)得到一維的準(zhǔn)確邊界，且計(jì)算時(shí)間太長，不能從整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)上模擬瞬態(tài)進(jìn)氣過程和諧振效應(yīng)帶來的進(jìn)氣不均勻性。因此，要在1D模型中獲得更準(zhǔn)確的瞬態(tài)邊界條件來計(jì)算進(jìn)氣歧管的三維流動(dòng)，或更進(jìn)一步研究進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)形狀對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，來指導(dǎo)優(yōu)化進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)。文章以發(fā)動(dòng)機(jī)1D燃燒開發(fā)軟件為基礎(chǔ)與3D流體軟件相耦合來解決進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)中瞬態(tài)進(jìn)氣過程。關(guān)鍵詞：進(jìn)氣歧管;一維-三維耦合;進(jìn)氣均勻性中圖分類號：U464? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）01-90-04

Abstract： The intake system greatly affects the power， economy and emissions of the engine. One-dimensional simulation model was established in the early stage， which reflects the performance of the engine， but it still fails to reflect the true structure of the pipeline， such as some corners and abrupt areas. Although the three-dimensional steady-state and transient calculation can simulate the pressure distribution of each branch pipe in the design calibration of the intake manifold， it cannot get the accurate one-dimensional boundary in real time and fails to simulate the intake non-uniformity caused by transient intake process and resonance effect from the whole engine. At the same time， the long period of calculation in the 3D simulation is also a big issue. Therefore， more accurate transient boundary conditions should be obtained in the 1D model in order to calculate the three-dimensional flow of the intake manifold as well as the influence of intake manifold structure shape on engine performance for further optimization of intake main fold design. In this paper， the transient intake process in the intake manifold design are solved by coupling engine 1D combustion development software with 3D fluid software.Keywords： Intake manifold; 1D-3D coupling simulation; Intake uniformityCLC NO.： U464 ?Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）01-90-04

前言

進(jìn)氣歧管連接節(jié)氣門和進(jìn)氣道，是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中的重要組成部分。它影響著發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸的進(jìn)氣量以及進(jìn)氣均勻性，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性[1-2]。目前研究進(jìn)氣歧管有一維仿真，也有三維仿真。單純的一維仿真計(jì)算只能獲取進(jìn)氣歧管的基本數(shù)據(jù)，無法獲得進(jìn)氣歧管內(nèi)部氣體流動(dòng)狀況，而三維仿真計(jì)算也僅僅考慮到進(jìn)氣歧管，不能實(shí)現(xiàn)與其它組件的關(guān)聯(lián)。

為了進(jìn)一步研究進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)形狀對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。本文以1D與3D耦合計(jì)算的方法研究進(jìn)氣歧管，為進(jìn)氣歧管優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 一維-三維耦合仿真模型的建立

1.1 進(jìn)氣歧管三維模型的建立

本文只涉及進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)，因此只提取進(jìn)氣歧管相關(guān)的參數(shù)。提取創(chuàng)建進(jìn)氣歧管3D 數(shù)模所需要的參數(shù)有：進(jìn)氣管路的長度，進(jìn)口、出口的截面積，諧振腔的容積，進(jìn)氣總管直徑等。

從發(fā)動(dòng)機(jī)三維圖中建立只有進(jìn)氣歧管的零件，然后利用前處理軟件提取內(nèi)表面，修補(bǔ)完善內(nèi)表面，生成質(zhì)量好的的面網(wǎng)格，導(dǎo)出相應(yīng)格式到Converge，再在Converge中設(shè)置進(jìn)氣歧管邊界條件。

圖1是進(jìn)氣歧管邊界劃分以及ID號，圖2是進(jìn)氣歧管的面網(wǎng)格。

1.2 進(jìn)氣歧管耦合分析流程

本模型一維使用GT-Power軟件，里面有個(gè)CFD_CONV ERGE_LITE模塊，在該模塊導(dǎo)入三維數(shù)模，匹配合適的參數(shù)，使進(jìn)氣歧管一維-三維耦合仿真得以正確的運(yùn)行并得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。1D-3D耦合計(jì)算在計(jì)算的流程上一方面要考慮計(jì)算的準(zhǔn)確度，另一方面要盡量節(jié)省計(jì)算時(shí)間，因此在GT-Power建立模型的時(shí)候，對應(yīng)的3D 模擬區(qū)域也需要建立起1D模型，這樣可以先單獨(dú)的進(jìn)行1D計(jì)算得到1D收斂條件下的結(jié)果，然后將1D計(jì)算結(jié)果作為耦合計(jì)算的邊界條件進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算，其目的是對3D流場進(jìn)行初始化，最終才是1D和3D的耦合計(jì)算，即在每一個(gè)計(jì)算步長上1D和3D都進(jìn)行邊界條件的交換。分析流程圖如圖3[3]所示。

1.3 建立進(jìn)氣歧管一維-三維耦合模型

1D-3D耦合計(jì)算交界面上邊界條件的選取對計(jì)算收斂性和結(jié)果準(zhǔn)確性有很大影響，有兩種邊界條件可以選取：壓力和流量。由于在GT-Power計(jì)算中要對壓力進(jìn)行重新修正，因此在靠近閥門的地方比如氣門、節(jié)氣門處，避免使用壓力邊界條件，而采用流量邊界條件。此時(shí)GT-Power邊界為Converge邊界提供速度，Converge邊界為GT-Power邊界提供絕對靜壓。

工況的選擇：根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，本文選擇四個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行仿真計(jì)算，分別是1000rpm外特性、2000rpm外特性、4000rpm外特性及5600rpm外特性四個(gè)轉(zhuǎn)速[3]。圖4是GT-Power與Converge耦合模型。

1.4 耦合計(jì)算設(shè)置

1D-3D耦合計(jì)算為1D熱力學(xué)模型和3D的模型共同迭代進(jìn)行數(shù)值求解，既通過一維考慮了模型全局，又通過三維模型考慮了局部。

計(jì)算過程中GT-Power單獨(dú)計(jì)算35個(gè)循環(huán)（15次左右就已經(jīng)達(dá)到收斂）使一維計(jì)算結(jié)果達(dá)到收斂，然后自動(dòng)通過耦合鏈接單元將流量邊界條件傳遞給Converge模型，后進(jìn)行的是GT-Power和Converge的聯(lián)合計(jì)算，雙方計(jì)算每一曲軸轉(zhuǎn)角都相互交換數(shù)據(jù)，最終耦合計(jì)算15個(gè)循環(huán)達(dá)到完全收斂，計(jì)算完成。

2 計(jì)算結(jié)果分析

通過后處理結(jié)果，對單缸進(jìn)氣量進(jìn)行分析，如圖5所示，一維計(jì)算在第16個(gè)循環(huán)就已經(jīng)收斂，一維-三維耦合在第50個(gè)循環(huán)也穩(wěn)定了下來。可以看出一維-三維耦合和純一維計(jì)算結(jié)果是有區(qū)別的，也說明了一維-三維耦合的必要性。

分別對四個(gè)氣缸收斂后的單缸進(jìn)氣量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表格1所示。圖6用柱狀圖表示了不同轉(zhuǎn)速下的進(jìn)氣不均勻性：

從表格1和圖6可以看出，各轉(zhuǎn)速下各缸進(jìn)氣不均勻性均在3%以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。進(jìn)氣不均勻性最大為1.6%，是發(fā)生在4000rpm外特性工況。下面就以這個(gè)工況具體分析進(jìn)氣流動(dòng)情況。

取最后一個(gè)循環(huán)看各個(gè)進(jìn)氣歧管出口的質(zhì)量流量曲線如下圖7所示。

根據(jù)4000RPM外特性這個(gè)工況的進(jìn)氣開啟時(shí)間，四個(gè)氣缸的進(jìn)氣門開啟時(shí)間如下表2所示。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出表3，各個(gè)氣缸在進(jìn)氣門開啟時(shí)間內(nèi)，質(zhì)量流量求和得出進(jìn)氣歧管出口的質(zhì)量流量數(shù)據(jù)。

從數(shù)據(jù)可以看出，進(jìn)氣歧管最大不均勻性為0.54%，是第3缸連接的進(jìn)氣歧管，從數(shù)模上也可以看出它的出口有一些突變的位置，出口面積最小，均勻性差一些，不過也小于3%，符合設(shè)計(jì)要求。

圖8到圖11分別是四個(gè)缸進(jìn)氣時(shí)進(jìn)氣歧管壓力變化明顯的壓力云圖，可以看出壓力從入口到出口逐步降低，沒有壓力發(fā)生突變的部位。

圖12到15分別是四個(gè)缸進(jìn)氣時(shí)進(jìn)氣歧管壓力變化明顯的速度流線圖，與前面所述的壓力云圖在同一個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角下。可以看出可以看到氣體從進(jìn)氣歧管入口進(jìn)入后，在穩(wěn)壓腔內(nèi)部和支管的流動(dòng)情況。空氣在穩(wěn)壓腔內(nèi)形成漩渦，隨后流向出口位置。

3 結(jié)論

本文以一維-三維耦合方式來對進(jìn)氣歧管均勻性進(jìn)行評價(jià)，利用一維軟件GT-POWER和三維仿真軟件CONVERGE共同建立耦合模型，通過不同工況計(jì)算分析，分析一維三維數(shù)據(jù)圖像得出以下結(jié)論：

（1）通過對單缸進(jìn)氣量隨循環(huán)數(shù)的圖像分析，可以得出純一維計(jì)算和兩者耦合計(jì)算有區(qū)別，說明一維模型還是有一些部分需要完善。

（2）通過對四個(gè)典型的外特性工況點(diǎn)分析，得出進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣不均勻性最大為1.6%，滿足≤3%的設(shè)計(jì)要求;

（3）通過對進(jìn)氣歧管壓力場、速度場云圖分析，可以看出該進(jìn)氣歧管壓力從入口到出口逐步降低，沒有壓力發(fā)生突變的部位，設(shè)計(jì)合理[3];

（4）采用一維-三維耦合的的方法對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)行模擬分析，可以在短時(shí)間內(nèi)獲得許多必須通過復(fù)雜試驗(yàn)才能得到的流場的詳細(xì)信息，對試驗(yàn)具有指導(dǎo)意義，是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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