(论文)汽油机进气道的三维cfd分析最新优秀毕业论文资料搜集呕血奉献

汽油机进气道的三维 CFD 分析 摘要：利用三维流体动力学软件 AVL-Fire，对某四气门汽油机的进气道进行了三维稳态数值模 拟计算。对进气门不同升程的气道及缸内流体的流线、速度、湍流动能以及流量系数进行分析 与评价，介绍缸内滚流形成过程，所得结论可为四气门汽油机进气道设计开发及改进提供理论 依据。 关键词：汽油机；进气道；涡流；滚流；流量系数 随着燃油喷射技术在汽油机领域的广 泛应用，对缸内气流运动的研究显得愈来 愈重要，缸内气流运动对汽油机燃油混合 和燃烧过程有重要影响,并进而影响到发动 机的性能和排放水平,而发动机进气道的流 动特性在很大程度上决定缸内的气流运动 状况1。进气道及缸内气体流动是三维、非 定常、伴随有传热和摩擦等现象的可压缩 气体流动，随着非结构化CFD计算方法的 成熟，可以分析从气道到缸内的流动，计 算精度可达5%以内2。本文应用AVL-Fire 软件对气道气门缸内实体模型进行三 维数值计算，通过分析和评价不同进气门 升程下气道气门缸内的气体流动特 性，为气道结构的设计及改进提供理论依 据。 1 气道三维数值模拟 1.1 几何模型及其网格划分 汽油机进气道的 ProE 几何模型以 STL 格式导入 AVL-Fire，抽取空气的流域面且 使其封闭，气缸的长度在 AVL 试验中取为 2.5D（D 为气缸直径） ，气道前端的长方体 容积起到稳压的作用，然后运用自动划分 网格技术生成六面体网格，最大网格长度 设为 5.5mm，最小网格长度设为 0.34mm， 由于气门与气道之间的气体流动模拟是研 究的重点，在燃烧室位置进行精细划分， 该处局部划分网格尺寸设置为 0.68mm，以 2mm 升程为例，总的网格数为 861560，节 点数为 862916。 a)整体网格b)局部划分c)气门网格 图 1 计算网格 1.2 模拟分析条件 1.2.1 固定壁面边界 壁面为绝热无滑移，无渗透，采用湍 流壁面函数对边界层进行处理，温度壁面 边界采用定温条件，即 293.15K。 1.2.2 进出口边界 采用稳压试验条件，进口总压 0.1MPa， 出口静压 0.0975MPa。 1.2.3 介质特性及初始化设置 气道内气体的流动是三维可压缩粘性 流动,视为由79%的氮气和21%的氧气组成 的气体,压力为0.098MPa，密度为 1.1648 3 /kg m，温度为293.15K，选择初始 化模式为有势场,以加快稳态计算中的迭代 作者简介：段亮（1983- ） ，男，硕士研究生；研究方向：汽车能源与排 Email: 速度。 1.3 气体流动计算数学模型 内燃机缸内的多维数值模拟的实质是 对可压缩粘性流体的 Navies-Stokes 方程 进行数值求解。一般应用的守恒方程有质 量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方 程以及理想气态方程，耦合标准k湍流 模型,建立气道内气体流动的数学模型。 1.3.1 流动控制方程3： 连续性方程， () 0 j j u tx += (1) 式中，t为时间； j x（j1，2，3）为坐 标；为密度； j u为气流速度在三个坐标 上的分量；各物理量上的“ - ”表示时均 值。 动量守恒方程， () 0 ijijij j i i i u uuu x xp ug txx + += (2) 式中，p为气体压力； ij 为作用在与i方 向垂直的j方向上的应力；g为重力加速 度。 能量守恒方程， () () 0 jj j ijih jpjj huhh u tx hp uS xcxxt + + = (3) 式中 h S为能量方程的源项，h为气体的比 焓， 21 2 i hc Tu= + (4) 状态方程， p RT = (5) 式中R为气体常数，T为气体温度 1.3.2 湍流模型 常用的湍流模型有亚网格尺度模型、 单方程模型、k双方程（湍流动能和耗 散率方程） 模型、 雷诺应力模型和RNGk 模型4，本文采用k双方程湍流模型。 2 进气道评价方法 在内燃机中常采用稳流试验方法评价 气道性能，假定气道及缸内气体流动使稳 定的气体流动，而在实际发动机的进排气 过程中，由于活塞和气门均做变速运动， 流过气道的气流实际上是不稳定流动，两 者之间不存在相似性，为使不同形状和尺 寸气道的流动特性具有对比性，采用无量 纲的流量系数评价不同气门升程下气道的 阻力特性或流通能力，用无量纲的涡流比 评价不同气门升程下气道形成涡流的能力 5，本文采用 AVL 评价方法。 2.1 无因次流量系数 th m m = (6) 式中，m 为测得空气质量流量； mth为理论空气质量流量； mth= P2 4 d z 2 v 式中，z 为进气门数目； dv为进气门内座直径； 是气门座处气体密度； P为进气压降 2.2 无因次涡流比 D n n = (7) 式中， D n为风速仪转速（单位 min-1） ； n为假想发动机转速（单位 min-1） ； h V 30m n = 式中，Vh为发动机气缸排量 3 不同气门升程的流动特性分析 对双进气门不同升程的 CFD 分析，主 要工作在于计算气道缸内的三维流动， 分析气门之间的干涉情况，以及气道缸 内气体流动特性，提供给缸内研究，通过 模拟计算，可以获得气道及缸内压力、流 速、湍流动能等参数的分布规律，并建立 气道形状与其流通特性的关系，为设计与 改进提供依据。 3.1 流线图 图 2 所示气道及缸内的流线分布，从 中可以清晰看出，各个升程下，通过进气 门的气流在缸内形成大范围的滚流，小升 程工况下，在排气门下方气流没有沿着压 力增加的方向流动，根据文献6知在缸盖 处不会形成分离，当升程增大时，低速的 气流顺着压力变大的方向流动，满足分离 的两个条件，以至在排气门处产生涡旋， 阻碍了气体的流动，随着升程的增大，滚 流的轴线向气缸中心移动。根据文献7知， 要使大升程下，排气门处的涡旋减少，建 议将弯气道改为直气道，来加强流经排气 门侧的气流，以达到较高滚流强度。 a)气门升程 2mmb) 气门升程 4mm c)气门升程 6mmd)气门升程 8mm 图 2 纵截面不同升程的流线分布 3.2 速度分布图 图 3 所示不同升程的速度分布，可看 出，在气门升程不同的情况下，气道内气 体的最大流速都分布在喉口位置，也就是 最小流通截面处，而且同一个纵截面上， 随着气门升程的增加，最大流体速度在降 低，这是由于小气门升程下的气门与缸壁 的间隙缩小，在压差一致的基础上，小截 面的流速明显较大。而且随着升程的增加， 气流进入气缸的锥角减小，气流在气缸上 的着壁点降低。 3.3 湍流动能分布 图 4 所示气门位置湍流动能分布情况， 由图可以看出，湍流动能主要在速度梯度 较大的气门边缘处和进气射流撞击缸壁 处，这两个方向上的气体脉动强烈，因而 该处的湍流强度较高。这是由于进气射流 在阀座及气阀边缘处的剪切和分离，以及 进气射流与周围气体速度相差很大，而且 由于进气射流撞击缸壁及反弹气流扰动的 缘故8，随着气流向下游传播扩散，由于气 体的粘性，湍流强度表现出衰减的情形。 a)气门升程 2mmb) 气门升程 4mm c)气门升程 6mmd)气门升程 8mm 图 3不同升程的速度分布 a)气门升程 2mmb) 气门升程 4mm c)气门升程 6mmd)气门升程 8mm 图 4 湍流动能分布 3.4 双气门流线干涉 图 5 所示为不同升程下两进气门周围 的流场分布，在中央交汇区域流线分布密 集，气体流动虽然会影响到进气流量的大 小，阻碍气流直接流向气缸，但是会增大 排气门一侧的流量，以至气流在干涉作用 下涌向缸壁，在排气门与缸壁的约束下形 成滚流。 a)气门升程 2mmb)气门升程 4mm c)气门升程 6mmd)气门升程 8mm 图 5 双气门流线干涉 3.5 流量系数走向 图 6 所示气门升程依次为 1mm、2mm、 3mm、4mm、5.2mm、6mm、7mm、8mm、 9mm、10.3mm 流量系数变化趋势。从图 6 所示的流量系数的变化曲线可以看出，随 着升程的增大，流量系数缓慢增加，符合 理论预测，但数值的准确性有待试验的进 一步验证，根据文献9知，用稳流试验求 得的流量系数为静态流量系数，它与实际 的动态流量系数还是有出入的，研究指出， 动态流量系数比静态流量系数要小。 0.727 0.699 0.655 0.599 0.4436 0.333 0.213 0.539 0.105 0.745 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1234 5.2 6789 10.3 升程（mm） 流量系数 图 6 不同升程流量系数变化趋势 3.6 横截面涡流分布 对于双进气道四气门汽油机，在稳流 气道模拟过程，发现所有气门升程下叶片 风速仪转速均不超过 100r/min，涡流比小 于 0.1，而且在模拟过程中数值和方向都不 稳定，这也说明气缸内没有形成大尺度涡 流运动，这是由于双进气道结构的对称布 置的特殊性决定了气流的运动特性，使绕 气缸轴心沿壁面运动的两股气流相互抵 消。由图 6 可见，两股反向的气流在气缸 壁的引导下形成反向涡流，在横断面上形 成双涡流。 a)气门升程 2mmb)气门升程 4mm c)气门升程 6mmd)气门升程 8mm 图 7一倍缸径处横截面涡流分布 4 结论 本文研究了不同气门升程下的双进气 门进气道及缸内的气体流动特性,分析了不 同升程的流线，速度，湍流动能分布情况， 比较了不同升程流量系数变化趋势，得出 以下结论： （）汽油机缸内滚流是在流向排气 门一侧的进气气流与缸壁的作用下形成 的，可见增加流向排气门一侧的气体流量 或者减少进气侧缸壁流量可以增大缸内的 滚流强度。 （）双进气门进气道的对称结构使 得缸内横截面上形成反向的双涡流，致使 缸内的平均涡流比近于。 （）喉口位置的湍流动能分布较集 中，因此该处的能量损失较严重，尤其是 进气门的迎风面及边缘处，阻碍气流流动， 可见进气门迎风面及边缘的设计关系到湍 流动能的分布以及气流的顺畅。 （4）稳态仿真具有简便、可靠、实用 的优点，其结果对气道结构设计有重要的 指导意义，但是由于发动机的工作过程是 多维多相的复杂瞬变过程，仅做稳态模拟 具有局限性。为了得到更详细、更切合实 际工况的发动机内部气体流场信息，瞬态 仿真计算是必要的。 参 考 文 献 1 王 建.四气门汽油机进气道流动特性的稳流试 验研究.内燃机学报，2005，22(2)：182183. 2 曹暑林.四气门柴油机进气道的三维实体造型及 流场数值模拟.内燃机工程，2004，25(6):40 41. 3 王保国，刘淑艳，黄伟光.气体动力学.北京： 北京理工大学出版社.2005 5 周龙保.内燃机学(第二版).北京：机械工业出版 社，2006. 4 曹暑林.四气门柴油机进