天然氣發動機進氣及壓縮過程三維仿真分析

趙玥　冷建　王鈺琦　林桂賓

摘要：為研究天然氣發動機缸內氣流運動及天然氣混合規律，利用Hypermesh和AVL Fire軟件對發動機的進氣和壓縮過程進行三維仿真，計算進氣與壓縮過程的流線分布和天然氣質量分數分布。結果表明：進氣過程中，滾流主要沿氣缸縱向變化，隨著高速氣流流入，在氣門下方生成2個滾流區，進氣道一側的滾流較遠離進氣道一側的大，在活塞運行到下止點時滾流能量耗散，被渦流吸收；進氣過程中，渦流主要沿氣缸橫向變化，在氣缸頂部形成眾多無規則的小尺度渦流，氣缸下部氣流趨于穩定，形成穩定的大尺度渦流；壓縮過程中主要產生是滾流、擠流和湍流，活塞上移，渦流運動加強，形成較大尺度的滾流，活塞頂部接近氣缸頂部時，產生擠流，擠流運動可以增加上止點附近的湍動能。

關鍵詞：天然氣發動機; Hypermesh; AVL Fire; 模型網格劃分; 三維仿真

中圖分類號：TK431文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）04-0073-06

引用格式：趙玥，冷建，王鈺琦，等. 天然氣發動機進氣及壓縮過程三維仿真分析［J］.內燃機與動力裝置，2023，40（4）：73-78.

ZHAO Yue， LENG Jian， WANG Yuqi， et al. 3D simulation analysis of intake and compression process in a natural gas engine［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（4）：73-78.

0 引言

發動機研究、測試、設計中的實體發動機試驗必不可少，但是又存在成本高、周期長等問題。隨著計算機技術及動力學仿真理論的發展，仿真計算在發動機研發中的應用越來越多，有效的仿真能對方案比選工作提供實質性的幫助，為動力測試提供一定參考，在一定程度上減少開發周期和試驗成本。由于燃燒與流場分析中模型的復雜性、邊界條件難以確定、流場內混合氣的不均勻性等問題，難以做到準確定量地仿真[1]。

在天然氣發動機的整個工作循環中，缸內氣體的湍流運動決定了燃料在缸內的運動及空間分布，對可燃混合氣形成、火焰傳播、燃燒品質、缸壁傳熱及污染物形成等都有直接影響[2-4]。本文中以一款12缸電噴天然氣發動機為研究對象，使用Hypermesh和AVL Fire軟件對天然氣發動機的進氣和壓縮過程進行三維仿真，研究氣體機缸內氣流運動及天然氣混合規律，為研究流場和燃燒規律提供參考。

1 模型網格劃分和計算參數

1.1 網格劃分

建模時，從Pro-E導入原始實體模型，刪除實體，保留面組合模型，形成劃分網格需要使用的空心模型后，檢查各結構尺寸，確認模型形狀規則、結合面平滑封閉，不存在細小尖銳部分，便于流場分析。

該發動機采用缸外預混方式，噴嘴位于進氣道偏下方，離進氣門較近，噴嘴形狀和大小對缸內氣體混合影響較小，因此忽略噴嘴結構。原始模型由進氣道、排氣道、2個進氣門、2個排氣門、活塞、活力面組成。研究進氣沖程時，忽略排氣門早開、晚關，排氣門視為始終關閉，因此可以簡化模型，將排氣道和排氣門去掉，將活力面、燃燒室、氣道以及結合處封閉[5-6]。

按照先小后大的原則，從較小部位開始劃分網格。過大的網格容易產生小角度，不利于后續網格計算，因此較小的部位使用盡量小的網格，大平坦的部位可以使用較大網格。以進氣道為例，進氣門座圈、進氣門上端等均為較小部位，優先對該部位進行網格劃分，并使用盡可能小的尺寸，剩余部分可選用較大尺寸進行網格劃分，形成進氣道網格。按相同方法，依次對進氣門、活力面、活塞進行網格劃分[7-8]，各結構初始網格模型如圖1所示。

簡化后的最終完整單缸網格模型如圖2所示。

網格處理結束后，對網格質量進行檢查修正，對不良質量的網格重新劃分，對缺乏約束的邊進行補面，確保網格模型不影響計算。

1.2 計算參數

1.2.1 邊界條件

邊界條件是指求解域的邊界上求解的變量或其一階導數隨時間及位置變化的規律。只有給定合理邊界條件，才可能求出流場的解[9]。

進氣過程的模擬需要提供進氣壓力或速度等條件，因為缺少實測數據，采用進氣質量流量條件。采用GT-Power仿真計算不同曲軸轉角下的進氣質量流量qm，結果如圖3所示。

根據經驗及有關文獻，其他邊界條件（主要是溫度邊界條件和壁面類型）如表1所示。

1.2.2 初始條件

對于瞬態計算，初始條件設置必須準確，保證后續時間步的結果準確。初始條件主要包括溫度、壓力、湍流參數、速度、密度、標量等，其中溫度、壓力、密度分別為310 K、101 kPa、1.19 kg/m3。

v=hn/30，其中，v為單位為m/s的活塞平均速度的數值，h為單位為m的發動機行程的數值，n為單位為r/min的發動機轉速的數值。

初始條件中進氣門關閉時的湍流動能TKE和湍流長度尺度LTLS[10]：

TKE=1.5u2，

LTLS=0.5L，

式中：u為湍流脈動速度，u=0.25v，m/s；L為氣門升程，m。

本文中，h=0.21 m，n=1 300 r/min，v=9.1 m/s，u=2.275 m/s，L=0.011 3 m，經計算可以得到：TKE=7.763 438 m2/s2，LTLS=0.005 65 m。

2 缸內氣流運動及混合氣形成規律

為觀察缸內天然氣的混合規律，排除噴射時刻及噴射時間對試驗的影響，選定噴射時刻對應曲軸轉角為400°、噴射時間為5 ms時的混合氣形成過程進行分析。本文中應用可以直觀展現天然氣與空氣混合過程的AVL Fire軟件，對混合氣形成過程進行分析。

2.1 進氣過程

進氣過程天然氣質量分數、氣體流線分布如圖4、5所示，分圖題中角度均為曲軸轉角。

由圖4、5可知：天然氣從噴嘴噴出后大部分沿第1個進氣門進入氣缸，少量從第2個進氣門進入；進入氣缸后，天然氣受進氣氣流的沖擊而擴散，開始時天然氣主要在進氣道氣門下方的區域擴散，遠離進氣道進氣門的一側幾乎沒有，同時由于2股進氣滾流的影響，其相遇區域成為劃分天然氣有無的分界線，不利于混合氣的形成；隨著活塞的下移，由于靠近進氣道側的進氣門氣流流速更大，使得該側滾流逐漸擠壓另一側，到達底部時轉變方向向上運動；在進氣過程的后期，缸內渦流逐漸穩定，天然氣與空氣逐漸擴散到另一側混合均勻，但進氣門側天然氣濃度更高，排氣門下方附近區域濃度較低，原因為噴嘴位于進氣門一側，使得遠離進氣門側的天然氣很少，并且進氣過程中2個滾流區的相互撞擊阻礙天然氣擴散，因此進氣門側附近天然氣濃度較高，排氣門側附近的氣流運動較弱，該區域天然氣始終較稀。可以通過改變噴嘴安裝位置，如使噴嘴的位置適當遠離第1個進氣門，也可適當增大缸內湍流強度以提高天然氣傳播速度，從而克服噴嘴位置的不利影響。

2.2 壓縮過程

壓縮過程中天然氣的質量分數及氣體流線分布如圖6、7所示，分圖題中角度均為曲軸轉角。由圖6、7可知：隨著活塞上移，下部滾流的產生使得進氣門側下方的天然氣濃度依然很高，排氣門側上方區域天然氣濃度一直很低，不利于均勻混合氣的形成。

2.3 缸內氣流運動規律

進氣過程中，滾流主要沿著氣缸縱向變化。進氣門開啟，進氣道內的氣流以較快的速度撞擊氣門桿后沿著氣門座流入氣缸內，開始時氣門開度小，受到流通截面積限制，此時氣門周圍的流速最大。隨著高速氣流流入，在氣門下方形成2個滾流區，在活塞下行過程中，2滾流區的中間地帶相互影響，由于進氣的不對稱性，靠近進氣道一側的進氣門流入的氣流量比另一側多，所以滾流區在面積增大的同時，由進氣道一側逐漸壓倒另一側，在活塞運行到下止點時滾流能量耗散，逐漸被渦流吸收。

進氣過程中，渦流主要沿氣缸橫向變化。進氣門開啟時，進氣量少，氣流高速進入缸內，在氣缸頂部形成眾多無規則的小尺度渦流。隨著進氣門開度增大以及活塞下移，進入氣缸的氣流量增大，體積也逐漸增大，在氣缸上部依然不斷形成無規則的小尺度渦流，越往氣缸下部，氣流越趨于穩定，下部吸收上面的小尺度渦流形成穩定的大尺度渦流。其中比較特殊的是在進氣門下方附近的壁面處產生回流，這是由于進氣門下方的空氣被周圍的進氣射流所卷吸，使得進氣門下方的壓力小于其他區域，這一回流區域一直存在持續到活塞到達下止點。

壓縮過程中主要產生滾流、擠流和湍流。由于活塞上移的擠壓，使得活塞頂部已趨于穩定的渦流，軸向運動受到限制，渦流運動加強，形成較大尺度的滾流。在壓縮行程后期，活塞頂部接近氣缸頂部時，會產生擠流，擠流運動可以增加上止點附近的湍動能。

3 結論

1）進氣過程中，滾流主要沿著氣缸縱向變化，隨著高速氣流的流入，在氣門下方生成2個滾流區，進氣道一側的滾流比遠離進氣道一側大，在活塞運行到下止點時滾流能量耗散，被渦流吸收；進氣過程中，渦流主要沿氣缸橫向變化，在氣缸頂部形成眾多無規則的小尺度渦流，氣缸下部氣流趨于穩定，形成穩定的大尺度渦流。缸內2滾流區域的限制對于天然氣的傳播造成不利影響。

2）壓縮過程中主要產生滾流、擠流和湍流，活塞上移，渦流運動加強，形成較大尺度的滾流，活塞頂部接近氣缸頂部時，產生擠流，擠流運動可以增加上止點附近的湍動能。

參考文獻：

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3D simulation analysis of intake and compression process in a natural gas engine

ZHAO Yue， LENG Jian， WANG Yuqi， LIN Guibin

Sinotruk Automotive Research Institute， Jinan 250102， China

Abstract：In order to study the airflow movement and natural gas mixing in the cylinder of a gas engine， Hypermesh and AVL Fire software are used to conduct three-dimensional simulation of the intake and compression?processes of the gas engine. The streamline and natural gas concentration distribution of the intake

and compression processes are calculated. The results show that during the intake process， the rolling flow mainly changed along the longitudinal direction of the cylinder， and as the high-speed airflow entered， two rolling flow zones are generated below the valve. The roll flow ratio on one side of the inlet is greater than that on the side away from the inlet， and when the piston reaches bottom dead center， the roll flow energy is dissipated and absorbed by the eddy current. During the intake process， the vortices mainly change laterally along the cylinder， form numerous irregular small-scale vortices at the top of the cylinder. The airflow in the lower part of the cylinder tend to become more stable， form stable large-scale vortices. The main processes generated during compression are rolling， squeezing， and turbulence. As the piston moved up， the vortex motion strengthenes， forming a larger scale rolling flow. When the top of the piston approaches the top of the cylinder， squeezing is generated， which could increase the turbulent kinetic energy near the top dead center.

Keywords：natural gas engine; Hypermesh; AVL Fire; model grid division; 3D simulation

（責任編輯：郎偉鋒）

收稿日期：2023-06-28

第一作者簡介：趙玥（1990—），女，濟南人，工程師，主要研究方向為機械設計制造及其自動化，E-mail：610318771@qq.com。