柴油機(jī)氣體流動(dòng)多維數(shù)值模擬研究

王亞雷 ， 康健健

（河南科技職業(yè)大學(xué)，河南 周口 466000）

在進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣及壓縮時(shí)，體系處于復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)，且受到外界的多重作用，往往容易發(fā)生變化。在此狀態(tài)下，氣體的速度、壓力等基本參數(shù)就將處于非均勻狀態(tài)下，與時(shí)間、位置等有著緊密關(guān)系，需要結(jié)合熱力學(xué)、流體力學(xué)等領(lǐng)域的理論展開(kāi)分析。當(dāng)前，我國(guó)在柴油機(jī)氣體流動(dòng)的科研中大多采用實(shí)驗(yàn)、模擬相結(jié)合的方式。作為獲取實(shí)際數(shù)據(jù)、描述工作過(guò)程的一項(xiàng)重要手段，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確、客觀地將氣體流動(dòng)作為一個(gè)綜合性進(jìn)程進(jìn)行表達(dá)，但往往需要配備多種設(shè)備機(jī)械，且實(shí)驗(yàn)周期一般較長(zhǎng)[1]。此外，對(duì)于部分難以實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)欠缺研究手段。而數(shù)值模擬則能夠充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)分析的優(yōu)勢(shì)，基于基礎(chǔ)理論得到具體的研究結(jié)果，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)形成相互對(duì)照[2]。不同于實(shí)驗(yàn)，數(shù)值模擬在研究中具有突出的便捷性、時(shí)效性及經(jīng)濟(jì)性，能夠準(zhǔn)確定位影響柴油機(jī)工作的關(guān)鍵因素，進(jìn)而指導(dǎo)技術(shù)人員改進(jìn)氣體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將產(chǎn)品的成本、性能控制在合理的范圍內(nèi)。借助數(shù)值模擬可以較為詳細(xì)且全面地獲得缸內(nèi)氣體的流動(dòng)情況，所以為了提升數(shù)值模擬的實(shí)際應(yīng)用效果，改進(jìn)柴油機(jī)設(shè)計(jì)，需要明確氣體的基本參數(shù)，建立與之相對(duì)應(yīng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型完成分析。

1 氣體流動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算的方法

本研究選擇應(yīng)用高階差分格式來(lái)應(yīng)對(duì)其存在的缺陷。其中，考慮到二階迎風(fēng)格式能夠達(dá)到三階精度，且其在方程守恒上的控制效果比較好，所以最終選定該方法。

為了提升數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)之間的擬合性，在開(kāi)展柴油機(jī)缸內(nèi)氣體分析時(shí)需要充分考慮變量間的耦合作用，特別是在分析速度、壓力等參數(shù)時(shí)應(yīng)尤為關(guān)注。實(shí)踐表明，速度、壓力間的耦合作用比較普遍且突出，這也就導(dǎo)致氣體流動(dòng)的模擬難度較大[3]。氣體壓力是求解方程組過(guò)程中重要的基本參數(shù)，但該參數(shù)不能獨(dú)立建立起一個(gè)方程進(jìn)行求解。在這樣的情況下，就需要采取一定措施來(lái)分離氣體速度及壓力之間的耦合作用，本研究采用SIMIPLE算法。

SIMIPLE算法是目前實(shí)踐中解決氣體速度與壓力耦合作用的常用方法，其主要借助半隱式法來(lái)完成求解[4]。這一算法的基本思路在于通過(guò)迭代法完成速度求解，并在速度求解方程中預(yù)先設(shè)定初始?jí)毫χ担⑼ㄟ^(guò)動(dòng)量方程計(jì)算獲得影響的速度場(chǎng)。在此計(jì)算模式下，如果能夠在連續(xù)性方程中實(shí)現(xiàn)守恒，那么就表明模擬與實(shí)際能夠達(dá)成較好的擬合；如果連續(xù)性方程不能實(shí)現(xiàn)守恒，那么就表明模擬與實(shí)際不能達(dá)成較好的擬合，需對(duì)預(yù)設(shè)壓力進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并重復(fù)上述流程，迭代至符合要求。

雖然SIMPLE算法能夠很好地適應(yīng)氣體速度與壓力的耦合問(wèn)題，但其也存在收斂性問(wèn)題，隨著實(shí)踐及研究的不斷深入，這一問(wèn)題逐步得到了改善。

2 三維模型的建立

由于柴油機(jī)的內(nèi)部形狀比較復(fù)雜且與各個(gè)燃燒室相連接的通道尺寸不一，這也就導(dǎo)致在劃分模型單元時(shí)需要慎重考慮。此外，柴油機(jī)缸內(nèi)氣體的速度一般較大，且伴隨存在不均勻的流場(chǎng)，這對(duì)分析計(jì)算過(guò)程將帶來(lái)較為顯著的不利影響。同時(shí)，為了確保數(shù)值分析結(jié)果具有足夠的精度，需要確保分析模型與實(shí)體構(gòu)件的尺寸形狀完全相同[5]。本研究借助UGNX軟件完成柴油機(jī)的建模工作，模型包括了柴油機(jī)系統(tǒng)內(nèi)外各個(gè)構(gòu)件。

根據(jù)柴油機(jī)實(shí)際構(gòu)件的形狀及尺寸，通過(guò)人工測(cè)量及繪制，通過(guò)UGNX軟件得到相應(yīng)的模型，三維實(shí)體模型如圖1所示。考慮到氣門(mén)位置處的氣體流動(dòng)比較敏感，所以在完成該位置建模時(shí)需要盡可能提升模型精度。

圖1 三維實(shí)體模型

2.1 計(jì)算網(wǎng)格的劃分

作為影響數(shù)值分析精確度及可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分即將待解的空間劃分為單元。借助守恒方程及數(shù)學(xué)模型對(duì)微小單元進(jìn)行分析即可得出各單元內(nèi)氣體的速度[6]。本研究所分析的柴油機(jī)雖然在氣道位置幾何形狀比較簡(jiǎn)單，但在接口處往往存在較多的幾何變換，并對(duì)氣流的敏感性較為突出，所以在劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)當(dāng)特別注意這些位置的單元優(yōu)化。模擬過(guò)程包括了柴油機(jī)的進(jìn)氣與壓縮兩個(gè)環(huán)節(jié)，且會(huì)伴隨產(chǎn)生氣門(mén)、活塞空間位置的變化，因此網(wǎng)格也就會(huì)出現(xiàn)變動(dòng)。

2.2 初始條件的設(shè)定

在完成模型建立與網(wǎng)格劃分后，如果想要得到準(zhǔn)確、可靠的分析結(jié)果，則需要確定合適的求解條件，主要包括了邊界條件及初始條件兩大類(lèi)。其中，初始條件也即柴油機(jī)缸內(nèi)氣體的初始速度、壓力、溫度等基本參數(shù)，如有必要，不同區(qū)域的初始條件可根據(jù)實(shí)際情況分別定義。在本研究中分別對(duì)缸內(nèi)、排氣管等位置賦予了不同的初始條件，其具體參數(shù)的確定可以以GT-POWER軟件仿真模擬結(jié)果為準(zhǔn)。在過(guò)去的許多研究中，為了簡(jiǎn)化工作量，初始條件及邊界條件依賴于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，這也會(huì)在一定程度上導(dǎo)致結(jié)果的偏差。而在仿真軟件的支持下，則能夠顯著提升參數(shù)的客觀性，確保溫度、壓力等參數(shù)能夠被控制在合理的范圍內(nèi)，并以此來(lái)描述實(shí)際工作中氣體的狀態(tài)。由此可以發(fā)現(xiàn)，GT-POWER得到的初始條件對(duì)于改善數(shù)值模擬水平而言有著積極意義。

2.3 邊界條件的設(shè)置

邊界條件主要包括了氣體的物理邊界及傳熱系數(shù)等，對(duì)于流場(chǎng)計(jì)算起著關(guān)鍵影響。由于邊界條件的內(nèi)容比較繁雜且受到多重因素的影響，因此需要根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的邊界條件[7]。在本研究的數(shù)值模擬分析中，邊界條件應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮固定壁面、流動(dòng)邊界及壓力邊界等。

1）壓力進(jìn)出口邊界條件。在進(jìn)出口邊界條件時(shí)，AVL FIRE給定了許多不同的定義方法，柴油機(jī)內(nèi)的氣體實(shí)際速度難以得到準(zhǔn)確的數(shù)值，但進(jìn)出口位置的壓力參數(shù)卻可獲得比較精準(zhǔn)的數(shù)值，所以選用壓力作為進(jìn)出口的邊界條件。具體來(lái)看，進(jìn)出口位置的壓力即在給定的邊界上靜壓的具體數(shù)值。此外，還需要充分考慮到溫度對(duì)氣體的影響，一般通過(guò)控制進(jìn)氣道溫度來(lái)達(dá)到控制效果。由于進(jìn)出口與氣缸之間存在不可忽視的距離，因此溫度邊界可粗略看作不變量進(jìn)行處理，具體值可由GT-POWER通過(guò)仿真模擬得出。

2）固定壁面邊界條件。數(shù)值模擬時(shí)一般可將壁面邊界看作流體運(yùn)動(dòng)的物理邊界，并以此構(gòu)建邊界條件。在分析流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)，壁面碰撞是不可忽略的一項(xiàng)因素，且其對(duì)模擬分析的影響往往十分突出[8]。特別是在壁面附近區(qū)域，速度、壓力等基本參數(shù)往往會(huì)發(fā)生顯著的變化，因此就需要充分重視這一影響，借助準(zhǔn)確、可靠的壁面邊界條件來(lái)描述物理邊界，并以此判斷模型建立是否合理。對(duì)于柴油機(jī)的不同組成部分，其壁面邊界條件往往不同，需要予以區(qū)分對(duì)待[9]。考慮到壁面對(duì)于流體溫度及速度等參數(shù)存在影響，因此其也并非定值。壁面的溫度選用絕熱條件，壁面的速度選用無(wú)滑移邊界條件，在確定壁面速度邊界條件時(shí)需要考慮到邊界層的影響，所以本研究選用湍流壁面律來(lái)完成處理。

3）其他邊界條件。為了定義連接或分離的網(wǎng)格邊界，一般可借助附加邊界的方法進(jìn)行處理。

3 柴油機(jī)氣體流動(dòng)過(guò)程三維數(shù)值分析

在數(shù)值模擬中，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速定義為2 600 r/min，以此運(yùn)算得到流場(chǎng)的速度、壓力以及動(dòng)能分布。本研究重點(diǎn)在于壓縮時(shí)的流場(chǎng)狀態(tài)，因此進(jìn)氣過(guò)程則可以用簡(jiǎn)略形式進(jìn)行描述。此外，在345°CA～350°CA的過(guò)程中，由于氣門(mén)升程始終處于較小的水平，因此分析可以將350°CA作為始點(diǎn)。為了簡(jiǎn)化分析說(shuō)明，可將正截面看作經(jīng)過(guò)氣門(mén)中心線與缸蓋頂面垂直的截面；將側(cè)截面看作經(jīng)過(guò)渦流室中心線與缸蓋頂面垂直的截面[10]。

圖2即為柴油機(jī)優(yōu)化前后缸內(nèi)充量的比對(duì)圖。根據(jù)圖中曲線可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前后缸內(nèi)充量的變化趨勢(shì)基本重合，而改進(jìn)后曲線在初期略高于原柴油機(jī)。而在下止點(diǎn)之前的區(qū)段內(nèi)，優(yōu)化前后缸內(nèi)充量的曲線相差不大，可視為重合進(jìn)行處理。而在排氣門(mén)關(guān)閉后，缸內(nèi)充量則變?yōu)槎ㄖ怠？傮w來(lái)看，優(yōu)化處理對(duì)于缸內(nèi)充量而言有著一定的提升效果。

圖2 缸內(nèi)充量變化

圖3即為柴油機(jī)優(yōu)化前后缸內(nèi)平均溫度的比對(duì)圖。根據(jù)圖中曲線可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前后缸內(nèi)平均溫度的變化趨勢(shì)基本重合，而改進(jìn)后曲線在初期略高于原柴油機(jī)。而在后續(xù)區(qū)段內(nèi)，優(yōu)化前后缸內(nèi)充量的曲線相差不大，可視為重合進(jìn)行處理。

圖3 缸內(nèi)平均溫度變化

圖4即為柴油機(jī)優(yōu)化前后缸內(nèi)平均壓力的比對(duì)圖。根據(jù)圖中曲線可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前后缸內(nèi)平均壓力的曲線基本重合。

圖4 缸內(nèi)平均壓力變化

圖5即為柴油機(jī)優(yōu)化前后缸內(nèi)平均湍動(dòng)能的比對(duì)圖。根據(jù)圖中曲線可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣階段優(yōu)化后的湍動(dòng)能存在較為顯著的變化，整體呈現(xiàn)出現(xiàn)上升后下降的趨勢(shì)。同時(shí)，原柴油機(jī)的曲線也存在類(lèi)似變化趨勢(shì)，但相對(duì)緩和。

圖5 缸內(nèi)平均湍動(dòng)能變化

4 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)看，本研究結(jié)合柴油機(jī)實(shí)例，基于FIRE軟件對(duì)進(jìn)氣及壓縮進(jìn)程完成了模擬，并進(jìn)一步得到了缸內(nèi)氣體的速度、溫度機(jī)壓力等基本參數(shù)的變化趨勢(shì)。同時(shí)，以此為基礎(chǔ)對(duì)原柴油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整其連接通道及配氣相位。對(duì)優(yōu)化前后柴油機(jī)的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

1）經(jīng)優(yōu)化處理后的柴油機(jī)缸內(nèi)充量會(huì)發(fā)生略微增長(zhǎng)，這也表明優(yōu)化處理后的配氣相位角有助于為氣缸提供更為充足的進(jìn)氣量。

2）根據(jù)平均壓力及平均溫度曲線的比對(duì)分析可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)配氣相位角對(duì)于缸內(nèi)溫度及壓力的影響較為微弱，可視為基本相同。

3）根據(jù)缸內(nèi)平均湍動(dòng)能的比對(duì)分析可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣環(huán)節(jié)中經(jīng)優(yōu)化處理后的缸內(nèi)湍動(dòng)能將發(fā)生比較顯著的變化，使得缸內(nèi)氣流更加不穩(wěn)定。

4）借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析軟件能夠較為有效地模擬柴油機(jī)缸內(nèi)氣體的流動(dòng)，有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)。