（动力机械及工程专业论文）发动机进气系统性能分析研究(1).pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：五高年6 月1f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽盍堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重麽太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 签字日期：2 瞄年g 月1 臼签字日期：砌库月o 日 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 进气系统是发动机的重要组成部分，进气系统性能严重影响了发动机和整车 性能。设计高充气效率、低噪声的进气系统是汽车工程界和学术界一直追求的目 标。 论文首先进行进气系统的水头损失计算和基于有限体积法进行进气系统稳态 流场模拟，综合二者计算结果分析了产生水头损失的主要原因。论文进一步研究 了发动机中气动现象的成因以及压力波对进气性能的影响，通过对发动机进气过 程的循环模拟分析了三缸发动机进气系统中的压力波及进气性能，在此基础上， 研究了进气系统内部各结构参数对压力波和充气效率的影响规律，结果表明：进 气系统谐振频率与进气总管长度成反比；谐振频率随着进气总管管径的增加而提 高；缩短进气支管长度，谐振频率增加；减小谐振箱容积，进气系统中的压力波 波动增强。此外论文还探讨了气缸内的涡流的形成及过程和气缸内气流组织的分 布情况。 论文基于h e l m h o l t z 共振消声原理，针对j l 3 6 8 型发动机设计了进气消声器 系统，实验结果表明，进气噪声得到明显降低，功率损失某些典型实验工况有明 显变化。在此基础上，论文进一步分析了进气消声器总成对进气系统进气性能的 影响，结果表明：消声器本身对进气性能影响较小，引入连接管使进气总管管长 改变是导致进气性能显著变化的主要来源。 通过对进气系统的性能分析研究，初步尝试了三维数值模拟对进气系统气动 现象及气体流动情况的研究，合理利用了亥姆赫兹共振消声原理对进气噪声进行 了有效的控制，得到了进气系统性能方面的有益结论，对提高进气系统性能的研 究有一定的参考价值。 关键词：进气系统，充气效率，进气噪声，数值模拟，试验 重庆大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t g a si n t a k es y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n tp a r to fe n g i n e ，w h o s ep e r f o r m a n c e d i r e c t l yi n f l u e n c e st h ee n g i n e s ，e v e na u t o m o b i l ep e r f o r m a n c e s od e s i g n i n gi n t a k e s y s t e mw i t hh i 曲v o l u m e t r i ce f f i c i e n c ya n dl o wn o i s ei st h ea i mo fm o t o r - d o mi s p u r s i n g i nt h i sp a p e r , f i r s t l yh e a dl o s sa n ds t e a d y - s t a t ef l o ws i m u l a t i o nb a s e do nf i n i t e v o l u m et h e o r yi ni n t a k es y s t e mi sc a r r i e do u t a n d ，a c c o r d i n gt h er e s u l t , w h a tc a u s e d h e a dl o s si ss t u d i e d t h e np r e s s u r ew a v e sf o r m a t i o na n di n f l u e n c eo nv o l u m e t r i c e f f i c i e n c yi si n t r o d u c e d b ye n g i n ei n t a k ep r o c e d u r ec y c l es i m u l a t i o n w a v ea c t i o na n d i n t a k ep e r f o r m a n c ei nat h r e e c y l i n d e re n g i n ea r ea n a l y z e d a n dt h er e l a t i o n s h i pi s s t u d i e db e t w e e nt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n dw a v ea c t i o n ，a n db e t w e e nt h es t r u c t u r e p a r a m e t e r sa n dv o l u m e t r i ce f f i c i e n c y t h a ti s ：( 1 ) t h eh a r m o n i cf r e q u e n c yi si ni n v e r s e p r o p o r t i o nt ot h el e n g t ho f t u n i n gd u c t ；( 2 ) e n l a r g i n gt h ed i a m e t e ro f t u n i n gd u c tb r i n g s t h ei n c r e a s eo fh a r m o n i cf r e q u e n c y ；( 3 ) t h eh a r m o n i cf r e q u e n c yi si n c r e a s i n gw h e nt h e l e n g t ho fa i ri n t a k eb r a n c hi ss h o r t e n i n g ；( 4 ) d e c r e a s i n gt h ev o l u m eo fp l e n u mc a n i n c r e a s et h ea m p l i t u d eo fp r e s s u r ew a v e i na d d i t i o n ，f o r m a t i o na n dd e v e l o p m e n to f e d d yf l o wa n dd i s t r i b u t i o no f a i rf l o wo r g a n i z a t i o na r ea l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , a l li n t a k em u f f l e ri sd e s i g n e do nt h eh e l m h o l t zr e s o n a n c et h e o r yf o r j l 3 6 8e n g i n e t h e ni ti sp r o v e dt h en o i s eo ft h ee n g i n ei sr e d u c e ds u c c e s s f u l l y b u t p o w e rl o s si sc h a n g i n gc l e a r l yi ns o l i l ee n g i n es p e e d s o ，f u r t h e rr e s e a r c h i sc a r r i e do u t o nt h ei n f l u e n c eb r o u g h tb yi n t a k em u f f l e ra s s e m b l y t h er e s u l to fr e s e a r c hi s ： i n f l u e n c ec a u s e di n t a k em u f f l e ri ss m a l l ，a n dt h ei n c r e a s eo f l e n g t h o f t u n i n gd u c ti st h e p r i m e r e a s o n b ys t u d yo i lt h ep e r f o r m a n c eo fi n t a k es y s t e m ，f l o wf e l d a n da e r o d y n a m i c p h e n o m e n o ni n t a k es y s t e ma r es t u d i e dp r e l i m i n a r i l yt h r o u g h3 ds i m u l a t i o n , i n d u c t i o n i sr e d u c e ds u c c e s s f u l l yo nt h eh e l m h o l t zr e s o n a n c et h e o r y , a n dh e l p f u lc o n c l u s i o n so n p e r f o r m a n c eo fi n t a k es y s t e ma r ed r a w n a l lt h ew o r ka n dc o n c l u s i o ni nt h i sp a p e r a r e h e l p f u la n du s e f u lt ot h es t u d yo ne n h a n c i n g t h ep e r f o r m a n c eo f i n t a k es y s t e m k e y w o r d s ： i n t a k e s y s t e m ， v o l u m e t r i c e f f i c i e n c y , i n d u c t i o nn o i s e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 问题概述及课题的研究意义 发动机进气系统是发动机的重要组成部分，进气系统性能的优劣直接决定着 发动机乃至整车性能的高低。 ( 1 ) 进气性能。同样大小的气缸容积在相同的进气状态下，若吸入更多的新鲜 空气，则容许喷入更多的燃料，在同样的燃烧条件下可以获得更多的有用功。因 此如何提高充气效率是提高发动机动力性及经济性的一个重要手段i l 】。利用间断 进气引起的进气管道内的压力波动而产生的谐振迸气可以在某些转速下大大提高 发动机的进气效率，已经在国内外很多汽车上得到体现。进气管道内的压力波的 形成和传播与进气管的长度直径等几何参数以及转速都有密切的联系，因此充分 了解进气道内的气体流动特征，掌握进气系统各组成部分对进气性能的影响就显 得尤为重要。 ( 2 ) 进气噪声。空气动力性噪声是发动机噪声的主要噪声源，空气动力性噪声 包括进气噪声和排气噪声。试验研究表明，当排气噪声得以有效控制时进气噪声 便升级为主要的噪声源之一，进气噪声有时可比发动机自身的噪声( 燃烧噪声、 机械噪声) 高出5 - i o d b ( a ) 2 】【3 1 。有关研究表明，进气噪声不仅对车外噪声有很大 影响，而且当汽车为低转速时车内噪声很大程度上是由进气噪声引起的【4 j 。因此 为了满足不断严厉的噪声排放标准，提高汽车的品质和市场竞争力，对进气噪声 的控制研究有重要的现实意义。 对发动机进气系统各项性能的研究目前主要仍以传统的试验方法为主。这种 传统的方法对工程技术人员的经验要求很高，实验时间周期长，成本较高，而且 要获取内部气流流动状态必须在系统内安装传感器，这必然会对流场产生干扰， 造成流场失真，不利于对汽车进气系统进行快速准确的开发和改进。数值模拟技 术的出现对解决以上问题提供了捷径。计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ，简称c f d l 就是利用在高速计算机通过求解一组偏微分方程来描述真 实流体流动的数值模拟技术 5 1 。该技术通过对发动机进气系统内气流流动的数值 模拟，可以得到在不同工况下气流在系统内的压力、速度等相关参数的空间分布 以及各参数随时间及转速等的变化关系，进而为工程技术人员提供直观的数据， 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 为进气系统的改进提供了方向性的指导意见，从而减少了试验成本，缩短了进气 系统的开发改进周期。 对进气系统性能的研究不是简单的和孤立的，在改进某项性能的同时势必会 影响到其他性能。例如在对进气噪声的控制中一般利用空滤器及进气消声器来实 现，但通常安装了进气消声器后气流的流动就会发生一定程度的改变，即改交了 原发动机的进气状态从而导致各个转速下发动机功率等性能的变化6 1 【7 。因此在 改进中也就涉及到了对其它性能影响的问题。 鉴于国内进气系统开发水平较低而且仍处于以试验为主的研究开发阶段以及 国内对进气噪声研究不足的问题，本文拟从发动机进气性能和进气噪声两方面综 合分析发动机进气系统，并对进气噪声控制中对进气性能影响的问题做进一步探 讨。通过本文的研究，将数值模拟技术应用到工程中，证明了数值模拟技术在进 气系统中应用的可行性，为企业新产品的开发提供了新的方向，加快了企业新产 品的开发速度，提高了企业的竞争力；在进气噪声研究中也首次结合了对进气性 能影响的模拟分析，是对迸气系统性能综合分析的有益尝试。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 进气性能的研究现状 发动机进气系统作用是用来提供燃烧所需的空i 并组织燃烧室内气流的运动 方式，掌握进气系统中气体流动及各相关参数的变化规律是提高发动机动力提高 发动机性能的前提。因此国内外对进气系统中气体的流动展开了广泛深入的研究。 发动机进气系统中的气体流动是一种复杂的气体流动，本质上属于可压缩粘 性气体的三维不定常非等熵流动【8 】【9 1 。对气体流动的研究目前有实验研究和数值 模拟研究两种方法“。实验研究方法主要有热线风速仪法、激光多普勒测速法、 热线探针法和气道稳流试验台法等。热线风速仪法建立在热平衡原理的基础上， 由于敏感元件与流体之间存在着温度差而产生热交换，利用热交换率的大小就可 以求出被测对象的速度、温度等的平均值和脉动值等参数，气道稳流实验法则是 通过测量缸套内的涡流计来测得空气流的角动量矩来考察气道进气道阻力特性和 进气涡流强度，但上述这两种方法都需要在流场中安置传感器，这样会扰乱流场 中气流的流动，从而使结果失真，而且在不同的测量中传感器的位置、角度也要 求一致，否则可比性较小；激光多普勒法是利用激光多普勒效应，通过测量频率 偏移量来求得流体速度的变化，该方法对流场没有任何干扰，能在工作着的f 自燃 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 机中测试，测量精度高，动态相应快，但是其价格昂贵，还必须开设窗口，因此 应用也较有限。试验研究能够反映所测对象的实际情况和数据，但受到内燃机复 杂结构、复杂过程的限制以及测试仪器自身的限制，有些数据无法准确测量或无 法测量，更重要的是即使做完试验后，可能对某些现象产生的原因还不太了解； 而多维数值模拟则能提供大量信息，周期短，费用低，适应性强 1 u o1 9 8 8 年g o s m a n 等人用k - e 模型计算了一个轴对称模型气门，并做了实验，与计算结果进行了比 较，研究结果表明，用标准的k - e 模型得出的计算结果在小气门升程下与实验结 果吻合良好，而在大升程下，其平均速度和紊动能均呈现较大的过预测 1 2 1 。1 9 9 0 年d a n i e l 等人做了单气门气道、双气门气道、双气门带涡流或滚流台肩的气道的 三维模拟计算，并用实验进行了验证。a v l 司的人员使用f i r ev 7 x 对进气道内 的流动进行了三维稳态数值模拟为了验证数值模拟结果的正确性搭建了实验台对 流量系数和涡流比进行了测量根据模拟结果使用后处理得出了数值模拟的流量系 数和涡流比结果表明流通系数盯的误差范围在2 5 内，而叶轮转速的误差在5 内。国内在数值计算模拟起步内燃机内气体流动方面的研究比较晚，主要是从2 0 世纪8 0 年代中后期开始的，例如：1 9 8 9 年吉林工业大学孙济美等人用修正的k e 模型计算内燃机进气门流场，并用热线风速仪进行了测量，结果发现，模型修 正后使气道内流场的预测精度提高了很多【l ”。华中科技大学的王志等人以实际产 品为研究对象，提出了基于“cad ca m cfd ”的气道研制流程，研制出 的气道已投入产品生产，发动机排放水平达到欧i i 标准【i “。武汉工业大学的常思勤 利用自己开发的3 d f l o w s 软件对发动机进气道进行了流动模拟计算，较好的反映 了流动情况和特征1 1 “。 在对发动机的研究过程中，人们同时发现进排气系统的设计对往复式发动机 的特性有很大影响，其吸气和排气过程的非稳态性质意味着进排气系统的表现与 发动机转速紧密相关“】。其原因在于在进排气系统中存在着周期性变化的压力 波。当发动机工作时，空气柱从进气道进口流经气门，然后进入气缸。由于进气 门的突然开启和活塞不断下移，气缸内压力下降，产生了膨胀波，该膨胀波以音 速穿越空气柱，从进气门传递到进气端，在进气开口端由于截面突变，该波又以 压缩波的形式反射回进气门，就这样该波以膨胀波和压缩波的形式在进气道内如 此反复就形成了进气管中压力的周期性变化( 见图1 1 ) 。大量的实验和理论分析 表明，若能正确利用这种气体动力现象，将能有效地改善发动机的换气过程，增 加发动机的功率和扭矩，降低油耗。因此利用进气动力效果至今是人们用以提高 发动机性能的有效方法。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 8 1 一l ，_ 壹l v 0 6 0 2 f 、八 f l乒上弋 一 1 0 0 3 6 06 拍 图a 进气管内压力波波形 固b 进气管内压力波的形成 图1 1 进气管内的压力波 f i 9 1 1p r e s s u r e w a g e i n t h ea i r i n t a k e p i p e 早在6 0 年代，匈牙利的工程师g c s e r 就在六缸增压柴油机上创建了谐振进 气系统，在内燃机发展史上第一次实现了增强多缸内燃机进气压力波，并提高充 气效率的复合增压柴油机【l 7 】。随着高速计算机在工程设计上的应用，推动了内燃 机空气动力学和热力学的迅速发展，人们开始应用数值模拟技术模拟进气系统的 压力波。最早的研究是r s b e n s o n 的关于“二冲程增压内燃机排气系统波动过程 的研究”【l ，到了1 9 8 2 年m c h a p e m a n 的多缸内燃机进排气流动模型等研究使 内燃机循环模拟更接近于实际过程【1 9 】。到目前有关压力波的试验研究和一维算法 已经发展的很成熟，并广泛应用在工程上。江苏理工大学的蔡忆昔通过试验测得 进气总管某一截面的气流参数并作为边界条件利用特征线法计算了发动机进气管 内气体流动情况，发现由于压力波与进气管流速的相互作用的影响和各缸间压力 波相互影响，多缸机的进气压力波比单缸机复杂得多，并进而分析了各缸的进气 不均匀性，并与试验结果吻合得较好2 0 】1 2 ”。o h a t a 和i s h i d a 测量了4 缸发动机的 进气口的压力，发现该压力波的组成由一个短周期的压力波和长周期的压力波组 成，短周期的压力波主要与进气岐管的尺寸有关，而长周期的波则与进气歧管和 谐振管两者的尺寸都有关系2 2 1 。哈尔滨工业大学的薄清荣等人研究了一汽某型柴 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 油机进气歧管、谐振管以及谐振箱的尺寸对充气效率的影响，发现随着歧管和谐 振管的加长，充气效率的峰值对应的转速降低，谐振强度与谐振箱的容积成反比 的关系，并把研究应用到工程上，使采用了谐振系统的柴油机扭矩和功率均高于 原机口。上述的研究都是基于一维算法，该方法认为由于管道沿管长方向的尺寸 与管径相比很大，半径方向的流动不明显，因此把管系简化为一维。一维算法可 以满足一定的精度，但是它忽略了管道截面和形状对进气性能的影响，而且模型 求解的边界条件和系数的确定仍需实验解决，还无法成为一种独立的研究手段 口”。毛崎波和邓康耀等人利用二维模型及算法模拟了进气管内的不稳定流动，计 算结果与实验结果吻合较好。t o s a 等则在管接头处采用二维模型，其他区域用一 维模型计算【2 ”。随着计算流体力学( c f d ) 的兴起，为更加精确地预测内燃机的空 气动力学性能提供了有效的计算工具。 本文将用三维c f d 通用软件c f x 来分析进气系统中的不稳定流动和压力波 的作用。 1 2 2 进气噪声的研究现状 汽车进气噪声是由于进气门周期性开闭产生压力起伏变化及进气过程中高速 气流流经进气门通道时形成的，在其控制方面由于进气系统结构及动力性和经济 性的约束，调整和改变设计很难，最好的办法就是采用设计消声效果良好的空气 滤清器或进气消声器【2 “。由于空气滤清器所占的体积正可作为膨胀型消声器的膨 胀腔，其中的滤材丝网泡沫棕丝等则是阻性消声器良好的吸声材料，因此空气滤 清器也是一种进气消声器。但是由于进气噪声产生的原因极为复杂空气滤清器降 低进气噪声的能力也是有限的，因此为了获得满意的消声性能必须增加进气消声 器 2 ”。消声器按其消声机理均可归为阻性消声器、抗性消声器或阻抗复合式消声 器 2 ”。阻性消声器即利用敷设在消声器管道内的吸声材料吸收声能以达到减小出 口处的辐射声能。阻性消声器的特点足在较宽的范围，尤其是在中高频范围有较 好的消声效果。但根据气流速度大于2 0r n s 时的塞宾公式知当气流方向与声速反 向时声波向管中心弯曲，这样就不利于吸声材料的吸声，所以在非增压发动机上 很少看到传统的阻性进气消声器【瑚。抗性消声器中的扩张式等消声器也由于体积 庞大等原因很少在进气消声中使用。目前在汽车发动机上用的最多的是共振式进 气消声器，共振式进气消声器是根据h e l m h o l t z 共振腔原理设计的一种消声器， 其原理是当声波传至腔体开口处时，由于声阻抗发生突变，使大部分声能反射回 去，还有一部分声能由共振器摩擦阻尼消耗掉，只剩下一一小部分声能通过交叉点 重庆大学硕士学位论文 继续传播，从而达到消声的目的【3 ”。在对h e l m h o l t z 共振腔研究上通常把该结构 认为是一个质量弹簧系统，连接管中的空气作为质量。国外很多学者做了很多关 于连接管长度修正方面的研究，例如i n g a r d 提出的长度修正公式，但应用到集中 参数模型中效果不好【3 ”，a l s t e r 把上述模型加以扩展，把“弹簧”看作有质量的 和刚度可变的，发现结果较集中质量模型有较大改善【3 2 1 。在工程应用上，康明斯 发动机在应用了进气消声器后，发动机总体噪声下降了4 个d b ( a ) ；重庆大学车 辆工程研究所经过研究发明了一种亥姆赫兹多腔并联旁支型共振式进气消声器， 应用于实车进行车外加速噪声实验消声效果显著。 1 3 本文的研究目的和研究内容 本课题主要目的是希望通过对进气系统性能的研究能够得到进气性能的影响 因素和各参数对进气性能的影响趋势( 本文主要从进气管内进气动力方面进行探 讨) 以及进气噪声的发生原理以及控制措施。本课题的主要研究内容如下： 1 发动机进气性能的模拟研究 发动机进气性能模拟研究从目前的研究情况看主要有两个方向，一是对发 动机进气道通流能力和涡流形成能力的研究；二是对进气系统中进气动力现象 的研究。本文主要从进气动力现象方面来探讨影响进气性能的影响参数。在此 方面目前还主要是基于一维的算法，本课题将利用三维c f d 技术对其进行相关 分析，得到进气系统各参数对进气动力现象及进气性能的影响。除进气动力研 究外，本文还将对进气系统及气缸内的气流运动情况做相关的探讨。 2 进气噪声性能研究 在对某微型汽车进行声源分离后发现该车的进气噪声是车外加速噪声主 要的噪声源，需要对进气噪声加以控制。在进气噪声的控制中，目前在汽车发 动机上用的最多的是共振式进气消声器，该消声器利用的是h e l m h o l t z 共振腔 原理。本文将介绍h e l m h o l t z 共振原理，并应用该原理及相应的声学分析软件 针对该车设计合适的进气消声器。 3 进气噪声控制中对进气性能的影响研究 在对进气噪声的控制研究中发现安装了进气消声器后，发动机的功率在某 些转速得到了提高，而在某些转速有些下降。为了了解进气消声器对进气系统 影响的原因，本文将对该现象应用进气性能模拟研究的结论和模型对该现象进 行了分析，并得到一定的结论。 6 重庆大学硕士学位论文 2 气体动力学分析的理论基础 2 气体动力学分析的理论基础 在对进气系统分析的过程中涉及到的理论很多，首先在分析的方法上基于的 是计算流体力学理论，针对到具体的进气系统时，由于分析的对象是可压缩的理 想空气，因此设计到空气动力学知识和热力学理论，其他的还有流体力学、内燃 机原理等等。下面就主要用到的计算流体力学理论和空气动力学理论作一介绍， 其他知识在分析中会涉及到，在此就不详细讨论。 2 1 计算流体力学的理论基础 在早期，研究流体力学的主要方法是两种：一是实验研究以地面实验为 研究手段；另一是理论分析方法一利用简化的流动模型假设，给出所研究问题 的解析解或简化方程。理论研究在研究了流体运动的基本规律的基础上提出了各 种简化流动模型，给出了一系列解析解和数值方法。这些研究成果推动了流体力 学的发展，也奠定了计算流体力学的基础，但是这些方法对研究复杂非线性流体 运动规律是不够的。随着实际需要，计算流体力学已发展成为流体动力学第三种 研究方法，它将实验研究和理论分析联系起来，为简化流动模型的建立提供了更 多的依据，使很多简化方法得到了发展和完善”。 数值模拟的基本方法是通过离散方程逼近描述流体运动基本规律的数学方程 及其边界条件。在流体中，任何流体运动的动力学特性都是由质量守恒定律、动 量守恒定律和能量守恒定律所确定的。这些基本定律可由数学方程组( 偏微分方 程组或积分方程组) 来描述，如欧拉方程( e u l e r 方程) ，n a v i e r s t o k e s 方程等a 利用数值方法通过计算机求解描述流体运动的数学方程，揭示流体运动的物理规 律，研究定常流体运动的空间物理特性和非定常流体运动的时空物理特征，这样 的方法就是计算流体力学1 。 2 i 1 流体力学方程及模型方程【3 8 流体力学的基本方程包括描述流体运动的质量守恒定律、动量守恒定律和能 重庆大学硕士学位论文 2 气体动力学分析的理论基础 量守恒定律方程，以及给出热力学关系式的状态方程( 由于本课题研究的主要内 容是进气管内的空气动力现象，要求流体的可压缩性) 。方程描述如下： 输运方程( 包括质量守恒、动量守恒、能量守恒) ： 质量守恒方程又称为连续性方程。质量守恒方程是从物质质量不生不灭、总 质量不变这一最自然的物理定律质量守恒定律出发而推导的。它用于描述流 体密度p 的变化规律。 动量守恒方程即为运动方程，它反映的是牛顿定律，即物体在力的作用下做 加速运动。具体说，物质所受的合力等于其质量和加速度的积，也可以理解为流 体微团所受到的力等于其动量变化率。 能量守恒方程反映的是流体微团单位质量的能量即总能量包括内能与动能。 a 连续性方程：半+ v ( p u ) = 0 ( 2 1 ) 吼 动量方程 ：! 譬+ v ( 脚o u ) ：v ( p 8 + p ( v u + ( v i a ) 7 ) ) + s m ( 2 2 ) u l 能量方程：& o - h t o t 一害+ v - ( 棚l 。) ：v ( x v t ) + s e ( 2 3 ) h 。是总焓，其定义如下：h 。= h + 妻u 2 ，h 是焓，h = h ( p ，t ) ：u 为流体速度； s 。是热源，s 。是动量源；占是单位矩阵；p 为流体密度；是动力粘度：p 为压 力。 在上面的五个方程中有七个未知数( u ，v ，w ，p ，t ，p ，h ) ，因此还需要加两个热 力学方程式使方程组封闭：状态方程式( 使密度与压力和温度相关) ，本构方程 ( 使焓与温度和压力相关) 。 状态方程： 热状态方程是温度和压力的函数： p = p ( p ，t ) 热容也可以表达成温度与压力的函数： c p = c p ( p , t ) 在本课题中由于选择的流体为理想气体，因此根据理想气体的特性，c 。只是 温度的函数，因此：c 。= c p ( t ) 。 理想气体的状态方程： 重庆大学硕士学位论文 2 气体动力学分析的理论基础 尸：m p ， (4)rt 2 尸= (4 ) 这里，m 为气体的摩尔质量，r 为通用气体常数。 本构方程 本构方程是热力学状态方程，描述的是焓与压力和温度的函数关系。 比焓是衡量单位质量流体所含内能的尺度， h ：u + 旦，u 是比内能 而焓随温度与压力变化的关系是： 曲= c d t + 吉 1 + 吾c 等，一 d p 。， 对于理想气体，则该式简化为： d 1 12 0 p d t ( 2 6 ) 2 1 2 湍流模型 气体在发动机进气管中的实际流动为湍流流动。湍流是流体中的一种”紊乱无 序”的运动，这种流动从肉眼看来是无序的、随机的、杂乱无章的流动。实际上湍 流具有大小不等的漩涡，大涡由主流获得能量，涡旋运动使漩涡拉伸不断分散为 小涡，当小到漩涡的最小尺度时，小涡的能量由流体的分子运动所耗散。但根据 大量实验表明，湍流流场某一空间点上，主流方向的速度虽然在每瞬间都在作毫 无规则的变化，但它们这种随机性质的变化，在足够长的时间内始终围绕着某一 “平均值”而上下变动，这一变化称为速度脉动。压力场也有这种性质”“”。 由于湍流是多尺度问题的非稳定结构，如果用n a v i e r s t o k e s 方程对湍流做直 接的数值模拟需要对从小到大全部漩涡做数值模拟，这对于实际中的大多数问题， 是目前计算机的容量和速度难以解决的。因此工程上常用的方法是求解平均的 n a v i e r s t o k e s 方程，因为上面已经提到湍流中的物理量在围绕着一“平均值”而 h 下变动，因此可以把任何物理量pt x ，t j 均分解成一个平均量p l l ，t j 与个脉动 量妒l 1 ，t ) 的和。所谓的湍流模拟，就是直接计算平均值，而脉动量对平均量的影 响通过一些简单的模型进行模拟，这些简单的模型就称“为湍流模型”或者叫“湍 流模式”。湍流模拟的基本点是将湍流特征量用统计值来表达，利用某些模拟假 设从而使方程封闭，因为工程中感兴趣的是时均速度，温度场，湍流脉动时均性 等，并不需要知道湍流产生发展的细节。 9 重庆大学硕士学位论文 2 气体动力学分析的理论基础 在c f x 软件中提供了很多湍流模型，例如：标准k s 模型，r n gk s 模型， 代数雷诺应力模型，s s t ( 剪切压力传输模型) 等，这些模型都对某些具体湍流状 态有其各自得优势。考虑到本次分析的重点不是进气管中的湍流现象，而且标准 的k s 模型适用范围广、经济，有合理的精度，因此选用标准k s 模型，下面对 其作简要介绍。 在k 一占模型中k 是湍动能，用来衡量湍流脉动程度的大小，具有( l 2 t 。2 ) 量纲； s 被称为湍流脉动能耗散率( 速度脉动耗散速度) ，具有每单位时间k 的量纲 ( l 2 t 。) 。 k 一占模型引入了两个新的变量到方程组中，连续性方程变为： 譬+ v ( 刖) ：0 ， ( 2 7 ) 动量方程变为： 旦譬竺+ v ( p u o u ) 一v ( 。v u ) = v p ，+ v 酐v u ) + b ( 2 8 ) 这里b 是体积力之和， 。口是湍流有效粘度，i 口= 卢+ 。 。湍流粘度。在k e 中假设湍流粘度与湍动能和湍耗散率相关：。= c ，p k _ - ，c ， 为常数，取为0 0 9 。 p 是修正压力，p + 三肚。 k 和s 通过下面的运输方程得到： k 输运方程： 0 ( - o k ) + v ( p u k ) ：v ( + z t ) v k + p k 一伊 ( 2 9 ) 盯【 uk s 输运方程： 掣m ( 声班v + 等肌 + k ( c ；, p k - c 2 胆) 心1 0 其中，式中的经验黼l a u n d e r 推荐取为c 。= 1 4 4 ，c ；2 是由于粘性和浮力产生的湍动能，其模型为： p 。鸹v u ( v u + v u t ) 一；v u ( 3 p t v u + 皿) + p k b 1 9 2 ，叽：1 0 ，o - c = 3 p k ( 2 1 1 ) 其中p n 是由于浮力产生的湍动能，在进气管进气模拟中由于忽略了流体浮力的影 响，因此设置p k b 为0 。 重庆大学硕士学位论文 2 气体动力学分析的理论基础 2 1 3 有限体积法刚【3 5 】【3 7 】 在流体力学中，研究流体运动规律的手段是采用数值计算方法，求解描述流 体运动基本规律的数学方程，以数值模拟的结果为依据研究流体运动的物理特征。 目前应用广泛的计算方法有有限差分法、有限体积法和有限元方法。 有限差分法着眼于求解区域剖分的节点上的函数值，方法简便，灵活，在收 敛性、稳定性等理论研究方面也比较完善。但计算中对求值节点的分布要求比较 规则，不能适应复杂的几何求解域。有限元方法基于微分方程的弱解形式和广义 变分原理，利用能适应复杂的几何形状的求解区域网格划分，在剖分单元上用形 函数插值逼近来求解，但有时需要求解大型的线性方程组，计算没有差分方法那 样灵活方便。有限体积法在一定程度上吸收了有限差分和有限元法的长处，克服 了它们的缺点。有限体积法从控制体的积分形式出发，对求解区域的剖分同f e m 一 样具有单元特征，能适应复杂的求解区域，离散方法具有差分方法的灵活性。 本文分析采用的分析软件c f x 使用的计算方法就是有限体积法，下面将简要介 绍有限体积法。 使用有限体积法，首先要对求解区域进行网格剖分。网格分为结构网格和非 结构网格两种。结构网格的生成和安排是有序的和按一定结构的，适于求解区域 有几何规律和求解模型比较均衡的问题。非结构网格，其结构网格的生成和安排 是无序的，可根据需要加密或减疏，宜于构造自适应网格，这是结构网格难以做 到的。非结构网格能适应复杂的求解区域，这一点也比结构网格优越。在本次分 析中采用的是i c e m - c f d 软件的四面体非结构网格。 鱼 单元 体积 图2 1 控制体积面 f ；g2 1f i n i t ev o l u m er 1 1 r f a c e 域q 上的守恒： 网格剖分后，就要确定控制体积。然后在 控制体积上积分原方程并进行离散和数值计 算。在c f x 中，控制体积的确定见图2 1 。其中 阴影部分为控制体积面，可以看到每个节点周 围都被组成控制体积的单元面包围，节点上保 存了各个求解变量和流体属性。接着就该对控 制体积求解。 有限体积法的基本思想，源于对一个“有 限体积”上某种输运方程的求解。设q 为一有 限体积，s 为包围q 的边界，通常可由下式描写 重庆大学硕士学位论文 2 气体动力学分析的理论基础 丢( p 妒) d v = l ( 妒) n d s + f d v ( 2 1 2 ) 其中：v 为速度向量。n 为方向余弦向量。r 是与源及扩散有关的项。妒可代表不同 的物理量，可以是标量或是向量。当妒= l 时，式( 2 1 2 ) 代表传质方程；当p = v 时， 式( 2 1 2 ) 则代表动量方程；等等。 将求解区域化分为若干有限域( 有限体积) ，对每个有限体积按式( 2 1 2 ) 建立 方程。通过适当数值离散，即可得到有限体积法的求解方程组。 2 2 进气管中压力波的传播p 6 2 2 1 音速 在气体动力学中，音速是一个非常重要的基本参数，用a 表示。在进气管中音 速值微弱扰动引起的压力、密度的变化在空气中的传播速度。 2 2 2 微弱扰动波 微弱扰动引起的压力、密度的变化是以微弱扰动波的形式出现的。下面来说 明进气管中的微扰动波的形成及传播。 pp t 户一a t p d pi p p t t d t 图2 2 扰动波形成及传播示意图 f i g2 1f o r m a t i o na n dt r a n s m i s s i o no f p e r t u r b a f i o nw a v e 设有一根半无限长等直径圆管，左端由一活塞封住，见图2 2 ，当活塞向左移 动，使活塞的速度由零增加到d v ，然后使活塞保持以d v 向左运动，这时，紧贴活塞 的那层原来静止的气体首先膨胀，它也以d v 的速度向左运动，它也像活塞一样又 膨胀第二：层气体，使其压强、密度和温度略有减小，迫使第二层也以速度的d v 运 重庆人学硕士学位论文2 气体动力学分析的理论基础 动，这样，膨胀作用一层层向左传播出去。在微弱扰动的传播过程中，受到扰 动和尚未受到扰动的气体之问有一个分界面( 如图中的虚线) ，在分界面两边， 气体的参数数值有所不同。这个分界面叫做微弱扰动波。由活塞移动形成稀薄区 使气体发生膨胀而产生的叫微弱扰动膨胀波。 2 2 3 音速的计算公式 以压缩波为例，取扰动波面为控制体，由连续性条件，在d t 时间内流入和流出 控制体的气体质量相同： a p a + d t = ( a d v ) ( p + d p ) a + d t ，a 为管截面积 ( 2 1 3 ) 再由动量定理，对于包围扰动波面的控制面，质量a p a d t 的气体沿流动方向 的动量变化率等于作用在该气体上所有外力在该方向上的投影之和 ( a - i d v 一) a p a + d t ：b 一( p + d p ) d a ( 2 1 4 ) 在微弱扰动波的条件下( 旦旦 1 ) ，得音速公式： p ( 2 1 5 ) 重庆大学硕：j ：学位论文 3 进气性能分析 3 进气性能分析 本课题的研究对象是一四冲程三缸发动机的进气系统。本章将通过对该进气 系统的c f d 模拟分析来研究该进气系统的进气性能，其中包括对进气系统的流场 分析以及在进气系统中的压力波分析；并在此基础上通过改变进气系统结构参数 研究进气系统结构参数对进气性能的影响规律。 注：本文的压力均指相对于大气压的相对压力，p = p p 。，p 为本文所示相对 压力，p 为绝对压力，口。为大气压力。 3 1 进气系统模型及边界条件的建立 3 1 1 模型的建立及简化 本课题研究的是一四冲程三缸发动机的进气系统，在本节主要研究该进气系 统模型的建立和在分析中所作的简化，以及进口、出口等边界条件的确定。表3 1 是该发动机的主要技术性能参数： 表3 1 发动机主要技术性能参数表 t a b l e3 1t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro f t h ee n g i n e 缸径d m i l l6 8 5 行程s r a i n 7 2 排量v m l 7 9 6 压缩比占 8 7 ：1 点火顺序1 3 - 2 曲柄长r m i l l 3 6 连杆长1 m i l l 1 1 2 进气门直径d r a i n 3 1 6 气门最大升程h r a i n 5 1 5 3 图3 1 是该发动机完整的进气系统，包括气缸、进气道、进气支管( 谐振箱和 支管) 、进气总管和空气滤清器。图3 2 是进气系统的简化模型。从图中可以看到 模型做了很多简化。首先，由于空滤器、谐振腔相对于气流流动来讲体积较大， 因此其倒角对于流场的影响较小，而且倒角由于面积较小，因此其上网格单元很 小，直接导致整个模型单元数量的大幅增加，因此在模型中去掉了空滤器和谐振 重庆大学硕士学位论文3 进气性能分析 箱上的倒角；由于c f x 分析软件无法模拟气门的开闭( 无法保证气门的完全关闭) ， 本课题只有通过改变边界条件来模拟气门的开闭过程，因此在模型中去掉了气门 导杆，但为了模拟气门对气流的节流作用，在气缸内部保留了气门，并对气门表 面做了一定简化。 图3 , 2 进气系统简化模型 f i g3 2s i m p l i f i e dg e o m e t r yo f t h ea i ri n t a k es y s t e m 在完成几何模型的建立后，在i c e m - - - c f d 软件中建立了有限元分析模型，如 图3 3 所示，为了不降低计算精度，在有截面变化以及进气门对流体流动有很大影 响的复杂区域提高了网格密度，而在空滤器等体积较大对气流流动影响不显著的 地方则采用了较大的网格单元，模型建立后共产生3 5 63 7 3 个单元，6 32 0 3 个节点。 事实上，在对进气系统分析的过程中发现，空气滤清器中的压力波动相对于系统 中的压力波很小，即对压力波分析无重要影响( 详细解释见3 3 4 ) ，因此最后在 重庆大学硕士学位论文 3 迸气性能分析 模拟中空滤器也被省略，使模型规模大大减小，只有2 引9 8 2 个单元，4 9 8 0 5 个节点。 图3 3 进气系统计算网格 f i 9 3 3f i n i t ev o l u m em o d e lo f i n t a k es y s