（动力机械及工程专业论文）多分支管复杂气流场三维模拟研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 结合国家自然科学基金项目“螺旋流排气管高效增压系统的机理研究”，在螺旋 流排气管增压系统已取得较好应用效果的基础上，为探讨其工作机理开展了本文的工 作。在复杂流域流动模拟研究中，本文对多分支管螺旋流排气系统的三维流场、湍流 模型，以及螺旋流分支管变型和变结构参数的流动特性等进行了富有特色的研究工 作。本文的工作为说明工作机理、进一步完善和发展这种新型增压系统提供了理论依 掘。 i 本文选用任意拉格朗e i - 欧拉( a l e ) 法来模拟研究螺旋流多分支管内的流动，根 据数值模拟的需要，在网格生成、边界条件以及收敛速度和准则等方面改进了 k i v a i i 程序。针对螺旋流排气系统湍流场的强旋流和高度各向异性等特点，利用张 量不变性理论，本文导出了含有速度梯度二次项的雷诺应力与变形率张量s 及旋转张 量q 之间非线性本构关系，建立了新的显式代数应力模型，并结合重整化群r n g k e 模型，首次提出了一种非线性r n gk e 模型，对复杂流域强旋流流动，具有更大 的适应性和更强的预测功能。 通过对螺旋流三分支管和m p c 轴对称三分支管试验模件流场的实测结果与模拟计 算结果进行了对比，结果表明：计算结果与实测值基本吻合，所反映的流场分布和变 化规律是基本一致的，说明本文以k i v a i i 程序为基础对复杂流域的三维数值模拟工 作是成功的。通过对四种湍流模型的对比研究发现，非线性r n g c g 模型比较适于 预测强旋流分支管这样的流场，对于轴对称分支管流场的预测选用r n gk 一模型和 非线性r n gk e 模型较为合理。 目前对螺旋流排气系统的设计在很大程度上仍沿用m p c 系统的经验设计参数。本 文的研究已经表明：螺旋流排气系统与m p c 系统尽管都属于模件式单总管排气系统， 但两者之间的流动特性明显不同。m p c 系统的设计经验是否仍适用于螺旋流分支管模 件设计? 这是值得探索的问题，因而本文对螺旋流三分支管的变型、变结构流动特性 进行了分析。螺旋流排气系统采用适当的支管缩口形状和合适的支管收缩比，与基本 型螺旋流分支管相比，既能增加旋流强度，又可减少流通阻力。从流场角度来说，支 管为扁平2 形状的螺旋流分支管应该更为合理。 从国内外对增压排气系统的数值模拟研究来看，目前所进行的大多数研究工作集 中在单个分支管模件的数值模拟上，而对排气系统多分支管系进行多维数值模拟国内 t 华中科技大学博士学位论文 尚未见报道。为了研究多缸排气的流动特性及其相邻缸排气问的相互影响，本文对 m p c 系统和螺旋流排气系统多分支管开展了探索性的三维稳态流场模拟研究。从流场 分析中可见，螺旋流排气系统有利于减少气流与壁面和气流与下游支管气流之间的直 接撞击损失。 为了弥补在稳态多维流动模拟中对扫气干扰研究的不足，以及更接近实际地模拟 螺旋流分支管系的工作特性，本文对六缸螺旋流排气分支管系也进行了三维非定常流 动模拟。在六缸排气系统中对同时有三缸处于排气状态的情况进行了非定常流动分 析，可以看出高速排气流所产生的引射作用主要只对处于气流上游方向的气缸有影 响，上游高速排气流对处在扫气阶段的气缸没有产生明显的倒流现象。一， 关键词l 多分支管，复杂流域，螺旋流排气系统，数值模拟 p i - _ - 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h es a t i s f a c t o r ya p p j i c a t i o no fs w i r l i n gf l o we x h a u s ts y s t e m ，t h er e s e a r c h e s o nt h r e ed i m e n s i o n a ln o w n e l do fm u l t i - b r a n c h e ds w i r l i n gn o we x h a u s ts y s t e m ，n o w c h a r a c t e r i s t i c so fs w i r l i n gf l o wi u n c t i o nw i t hv a r i a b l es t r u c t u r ea n dc o n n g u r a t i o n ，t o g e t h e r w i t ht u r b u l e n c em o d e la r ed e e p j yi n v e s “g a t e du n d e rt h en n a r i c i a ls u p p o r tb yn a t i o n a i n a t u r es c i e n c e f o u n d a t i o n ， s o a st 0 l a y t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o r e x p l a i n i n g i t s m e c h a n i s m ，i m p r o v i n g a n d d e v e l o p i n gt h en e wt u r b o c h a 唱i n gs y s t e m t h e 姒em e t h o di sa p p l i e d ，t h ec o m p u t i n gc o d eo fk i v a i ii sm o d i f i e do n 瞽i d g e n e r a t i o n ，i n f l o wa n do u t f l o wb o u n d a r yc o n d i t i o n ，a j l dc a l c u l a t i o nc o n v e r g e n c ee 币c i e n c y a n dc r i t e r i o n ，i ns i m u l a t i n gt h en o w f i e l do fm u l t i l b r a n c h e ds w i t l i n gn o we x h a u s ts y s t e m a i m i n ga tp r e d i c t i n gt h es t r o n g l ys w i r l i n gn o w a n da n i s o t r o p i c i nt u r b u l e n c en o wo f s w i r l i n 叠n o we x h a u s ts y s t e m ，an o n l i n e a rc o n s t i t u t i v er e l a t i o nb e t w e e nt h er e y n o l d s s t r e s sa n dt h es t r a i nr a t et e n s o rsa sw e l la st h er o t a t i o nt e n s o rqh a sb e e nf o r m u l a t e db v a 仰h i n 叠t h et e n s o r i “i n v a r i a n c et h e o r yw h i c hi n c l u d e su pt ot w o - o r d e rt e “n ss u c ha s s2 a n dq 2 c o m b i n i n 2w i t hr n gk t u r b u l e n c em o d e l ，an e wn o n l i n e a rr n gk 一6 t u i b u l e n c ei sp r e s e n t e df i r s t l yi nt h i sp a p e l c o m d a r i s o n so fc o m p u t e da n dm e a s u r e dv e l o c i t i e sr e v e a lt h a tt h em o d e l 口r e d i c t i o n st o s w i r l i n 2n o wa n dm p ci u n c t i o n s a r ei n g e n e r a l l y r e a s o n a b l e a g r e e m e n tw i t h t h e n l e a s u r e m e n t s ，w h i c hi n d i c a t e st h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo f m o d i f i e dc o m p u t a t i o n a l c o d e c o m p a r i n gt of o u rk i n d so ft u r b u l e n c em o d e l s i ts h o w st 1 1 a tn o n - 1 i n e a rr n gk 一 m o d e lj ss u i t a b l ef o rp r e d i c t i n gt h es w i r l i n gn o wi ns w i r l i n gf l o wj u n c t i o n ，a n du s i n g n o n 1 i n e a rr n gk em o d e la n dr n gk em o d e lt od r e d i c tt 1 1 en o w f i e l dm o r e r e a s o n a b l yt h a nm eo t h e rm o d e l si ns i m u l a t i o nt om p cj u n c t i o n 1 h ep r e s e n td e s i g nt os w i r l i n gn o wi u n c t i o ni ss t i l lc a l t i e do na st h eo l de m p i r i c a l d e s i 2 no fm p ci u n c t i o n i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ef l o w f i e l di ns w i r l i n gn o wi u n c t i o ni s q u i t ed i f r e r e n tf r o mm p c s ，d e s p i t eo fs o m es i m i l a rf e a t u r e si nb o t l lo fe x h a u s ts y s t e m w h e t h e rm p c se m p i r i c a ld e s i g ni ss t i l ls u i t a b l ef o rs w i r l i n gn o ws y s t e mo rn o ti sw e l l w o n hd i s c u s s i n 2 t h e r e f o r e ，t h er c s e a r c h e so nv a r i a b l es t 九l c t u r ea 1 1 dc o n n g u r a t i o n so f s w i r l i n gn o wj u n c t i o na r ec o n d u c t e di nm i sp a p e r c o m p a r i n gt o 也eb 粥i cs w i r l i n gn o w i u n c t i o n ，t h es w jr l i n gf i o wj u n c t i o nw i t ho b l a t e2c o n t r a c tc o n f i g u r a t i o nw i l ln o to n j y i n c r e a s et h es w i r li n t e n s i t y ，b u ta l s or e d u c et h ef l o w1 0 s s e s 1 no t h e rw o r d s ，t h ed e s i g no f s w i r l j n gf l o wi u n c t i o nw i t ho b l a t e2c o n t r a c tc o n n g u r a t i o ni sm o r er e a s o n a b l et h a nt i l e b a s i cs w m i n 叠n o wi u n c t i o nf r o mt h ep o i n to fc f dv i e w 1 tc a nb es e e nt h a tm o s tr e s e a r c h e so nt u r b o c h a r g i n ge x h a u s ts y s t e mf o c u so nt h e s i m u l a t i o nt ot h e s i n 2 l ej u n c t i o nm o d u l e ，w h i l e a st h e w o r k so n3 ds i m u l a t i o nt o 一_一一 i i i 华中科技大学博士学位论文 m u l t i - b r a n c h e de x h a u s tm a n i f o l d sa r er a r e l yd e s c r i b e d i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h en o w c h a r a c t e r i s t l c sa n dm u t u a le ) ( h a u s ti n t e r f c r e n c eo ft h ea 由a c e n tc y i i n d e r si nm u l t i b r a n c h e d s w m i n 2n o we x h a u s ts y s t e m ，t h es i m u l a t i o no n3 ds t e a d y - s t a t em a n i f o l d sn o w f i e l do f b o t hm p ca n ds w i r l i n 叠f l o we x h a u s ts y s t 咖a r ec a r r i e do u t i ti sc o n c l u d e dt h a ts w i r l i n r n o we x h a u s ts y s t e i ni sb e n e f i c i a lt or e d u c em e i i n p i n g el o s s e sb e 咐e e ng a sa n dp i p e 、张l l ， a n dt h ec o l l i s i o ni o s s e sb e t w e e nt h eu p s t r e a r nl a sa n dd o w n s 虹e a mg 解 i no r d e rt os i m u l a t et h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n so fe x h a u s tm a n i f o h sa n dt h e i r s c a v e n g ei n t e r f b r e n c e s ，t h e s i m u l a t i o n so n3 dn o n - s t e a d ym a l l i f o l d sn o w n e l do f6 c y l i n d e r se n g i n ea r ep e r f o r n l e d b ya n a l y z i n gt ot h ec a s e si nw h i c h3c y l i n d e r sa r ea t e x h a u s ts t a g ea tt h es 锄et i m e ，j tc a nb es e e nt 1 1 a ts u c t i o ne 盱b c t sc a u s e db yh i g l l s p e e d e x h a u s tg a s e sh a v eag r e a ti n n u e n c eo nm e u p s t r e 锄o u t f l o w ，a 1 1 dk g h s p c e dg a s e sa 腩c t m es c a v e n g ep r o c e s so fd o w n s t r e a r l lc y l i n d e rm o r el i k e l y k e y w o r d s ：m u i t i - b r a n c h e dj u n c t i o n ，c o m p l e x n o w d o m a i n ，s w i n i n gn o w e x h a u s ts y s t e m ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 一一 i v 华中科技大学博士学位论文 1 1 选题依据及其研究意义 1绪论 本文选题来自国家自然科学基金资助项目“螺旋流排气管高效增压系统的机理研 究”。项目编号：5 9 8 7 6 0 1 5 。 涡轮增压技术已经历了大半个世纪的发展，现已成为现代内燃机技术的重要组成 部分之一，其应用十分普遍。涡轮增压技术是提高发动机升功率的有效途径，能显著 地提高发动机的经济性，也能降低排放，对内燃机技术的发展起了划时代的作用。 尽管涡轮增压是一种比较成熟的技术，且已达到日臻完善的程度，但随着发动机的进 一步强化，增压技术现仍在不断的发展和完善之中。采用涡轮增压技术的关键在于如 何充分利用内燃机的废气能量以及合理协调内燃机与涡轮增压器的配合，因此涡轮增 压技术的发展包含了增压系统及涡轮增压器两个方面。几十年来，国内外学者对涡轮 增压系统进行了大量的研究，现已相继发展了定压系统、脉冲系统、脉冲转换系统和 模件式单总管排气系统( m o d u l a rs i n g l ee x h a u s tm a n i f o l d ，简称为m s e m 系统) 等， 并有进一步向各种型式的m s e m 系统发展的趋势“1 。 本文所研究的螺旋流增压排气系统是近年来我校发展的模件式单总管排气系统 的一种新型式。1 9 9 3 年万本华博士。3 基于m p c 系统的工作原理首次设计了一种螺旋流 排气系统，并在南通柴油机厂的6 1 3 5 a z d 柴油机上进行了整机试验，与原机的三脉冲 增压系统相比取得了令人满意的效果，限于时间和条件当时并没有对螺旋流排气系统 进行相关的理论研究，只对螺旋流排气系统进行了结构设计和配机试验。帅石金博士 “1 于1 9 9 8 年采用结构优化的方法为宁波中策柴油机股份有限公司的n 8 1 6 0 z c 柴油机 又成功地设计了螺旋流排气增压系统，并与m p c 系统进行了整机性能对比试验。在除 低速低负荷工况以外的大部分工况下，螺旋流排气系统较m p c 系统显示出良好的经济 性和低的热负荷性能。通过对螺旋流单个三分支管模件所进行的三维流动计算，初步 揭示了其内旋流的流动特征。他们的工作无疑为螺旋流排气系统的研究奠定了基础， 但这些研究工作在很大程度上仍停留在对螺旋流排气管的定性分析上，深入一步的研 究有待进行。有鉴于此，在国家自然科学基金项目的资助下，本文将在这些研究工作 的基础上，从流场的角度对螺旋流分支管模件的变型、变结构参数对旋流强度和能量 华中科技大学博士学位论叉 传递损失、流动情况以及相邻缸排气的影响等进行更深入的研究，并与上海柴油机股 份公司的c a t 6 1 2 1 柴油机增压排气系统的改进相结合。由此可见，本文的研究有较好 的 ：作继承性和连续性，并且具有较强的工程应用背景。 目前对于高增压柴油机来说，希望能同时兼顾高负荷工况和低负荷工况的性能， 加之涡轮增压器总效率的提高，这为采用m s 肼增压系统创造了条件，因而多种型式 的m s e m 增压系统相继出现。预计今后m s e m 增压系统的应用还会更加广泛。螺旋流排 气增压系统作为一种新型的l i i s 叫增压系统，已先后用于两种机型上，在高工况下获 得了优于m p c 系统的效果，由于种种原因，对于螺旋流高效增压的工作机理还研究甚 少。随着计算机技术和多维模拟技术的发展，使得气体流动数值模拟已成为研究发动 机：i ：作过程的有效手段。当然螺旋流排气增压系统设计是一个比较复杂的问题，涉及 多方面的理论和技术问题，要使排气能量传递效率、泵气功和扫气干扰这三方面能有 一个最佳的匹配，并弄清其工作机理都有待进一步的研究。综上所述，本文是在螺旋 流增压系统已获得初步研究成果的基础上进行的更深入的研究工作，为发展并完善这 一新型增压系统提供理论依据，其意义应是明显的。 1 2 模件式单总管排气( m s e m ) 系统 定压涡轮增压系统和脉冲涡轮增压系统是涡轮增压系统中最基本的两种方式。在 定压涡轮增压系统中，所有气缸的排气管连接在一根直径比较大的排气总管上，排气 总管实际上起了集气箱的作用，使涡轮前压力基本上保持恒定，涡轮能在定压条件下 全周进气，涡轮效率较高。不过由于总压力在容积较大的排气管内建立较慢，气流在 排气门处将产生较大的节流损失，排气脉冲能量也不能充分利用，导致部分负荷性能 差，而且响应特性也不如脉冲系统。而脉冲涡轮增压系统则采用容积较小的排气管形 式，使得排气管中的总压力能够迅速地建立，以减小排气门处的气体节流损失，并可 以尽可能多的利用排气脉冲能，因而在低速、低负荷工况下有较好的性能，响应特性 好。但是由于涡轮前压力波动较大，脉冲涡轮的部分进气，使得涡轮效率降低。1 。 脉冲能量在增压比较低时利用较好，其在废气能量中所占的比重随增压比的增加 而减少。因此，当采用高增压时，定压系统将变得比脉冲系统更具有吸引力。在六十 年代以后，由于增压度的提高，脉冲系统已难于满足高增压发动机性能的要求，而定 压系统同时满足高、低工况的性能也越来越困难，从而导致人们去探索各种改进措施 以消除这些缺点。于是发展了介于脉冲系统和定压系统之间的多种折衷方案以兼顾两 者的优点。如六十年代中期问世的脉冲转换系统【6 】，七十年代发展起来的多脉冲系统f 7 】 一一r 一 2 华中科技大学博士学位论叉 的各种增压系统的布置方案。尽管脉冲转换系统和多脉冲转换系统也都兼有定压系统 和脉冲系统的优点，但它们都需采用一个经特殊设计的“y 型”管接头来连接分支的 排气总管，无疑使得结构较为复杂，难于系列化生产。于是人们又丌始探索结构简单 且综合性能优良的增压排气系统，m s e m 增压系统便应运而生。到目前为止，m s e m 增压系统已相继发展了5 种不同型式的增压系统，如图1 2 所示。下面简述这几种最 具代表性的m s e m 增压系统。 i 、雾f 0 i 驾圣) ( a ) 三脉冲增压系统( b ) 脉冲转换增压系统 l o 0 i ( d ) m s 蹦增压系统 图1 1 直列九缸发动机排气增压系统的多种布置方案 ( d ) 螺旋流排气系统 ( e ) 组合长支管排气系统 图1 2 多种型式m s e m 的增压系统 舟一埔皤一撂甫 翠诞嘲 华中科技大学博士学位论叉 1 模件式脉冲转换系统( m o d u l a rp u l s ec o n v e r t e rs y s t e m ) 1 9 7 8 年法国热机研究所的r c u r t i l 等人”1 首次提出了一种兼有脉冲系统和定压 系统的优点，且结构简单的模件式脉冲转换系统，结构形式如图卜2 ( a ) 所示。模件 式脉冲转换系统，简称m p c 系统，是m s e m 增压系统中最早出现，并且也是应用最为 普遍的一种增压系统。它由渐缩引射喷管、排气总管和定压涡轮组合而成。m p c 系统 在形式上初看起来像定压系统，但实质上是多脉冲系统的进一步发展，其设计意图是 在保留脉冲系统和定压系统的优点的同时，克服在脉冲增压系统中存在的压力波和反 射以及在定压系统中气流脉冲能的损失。其基本的工作原理为：由于采用了容积较小 的引射喷管，在排气初始阶段管内压力容易迅速地建立，使得气门处的排气节流损失 减小；排气脉冲能在引射喷管中转化为动能并在排气总管内部分保留下来，提高排气 能量的利用率；引射喷管出口处的加速气流对总管中的气体起引射加速作用，以及较 小的总管管径( 相对定压系统而言) ，使得m p c 系统既充分利用了排气动能，又降低 了总管内的压力波动，从而减少相邻缸之间的排气干扰现象。迄今为止，人们已从压 力波传播、能量利用和多维流动等方面对m p c 系统进行过大量的研究”“。”1 。相对 于其它几种m s 刚增压系统而言。m p c 系统可以说是研究得最为透彻，发展得最为完 善的一种m s 叫系统。 由此可见，m p c 系统具有能量传递效率和涡轮效率高、结构简单和对缸数适应性 强等优点，因此m p c 系统是一种有着广阔应用前景的增压方式。 2 m s e m 中的长支管排气系统 m p c 系统采用收缩喷口是为了防止反射波和总管内的压力波动引起扫气干扰，以 及避免气流在喉口中出现倒流现象。但若缩口面积过小，引射管内产生的压力波动将 增大排气阀前的压力，虽能减少排气阀处的节流损失，但在缩口处又产生新的节流损 失，结果可能增大泵气损失。既然缩口的主要目的是为了减少泵气功和防止扫气干扰， 那么完全可以采用其它措施，如加长支管等来取代支管缩口方式一这样既可以满足扫 气不受干扰的要求，同时又能满足泵气损失小的要求。于是发展了长排气支管系统和 扩压单排气总管系统”1 ，其结构形式见图卜2 ( b ) 和( c ) 。如在z a 4 0 s 和s 2 0 等柴油 机上就采用了长排气支管系统。在一些扫气重叠很小的高速柴油机上，甚至采用了扩 压型长排气支管系统，以进一步减少泵气损失，如8 l 3 0 0 型柴油机采用了带扩压管的 长支管单排气总管系统。图卜2 ( e ) 为7 f d l 、1 6 v 2 4 0 z j e 等柴油机上采用的组合式 长支管排气系统。文献 1 3 对扩压长支管排气系统的性能进行过研究，并对低增压柴 油机6 1 3 5 z l c a 和中度增压柴油机8 3 0 0 d g 一3 上分别使用扩压长支管排气系统进行多方 案模拟计算和实验研究，研究结果表明：柴油机的增压度高。该系统的长处能够得到 体现，而增压度低，该系统的优点体现不明显，甚至劣于m p c 系统和脉冲系统。此外： 一一。一一 4 华中科技大学博士学位论叉 长支管系统也增加了发动机的总体尺寸和布置上的困难，应用受到限制。总的来说， 长支管系统对低速大型船用柴油机较为适宜。 3 螺旋流排气增压系统 长排气支管和带扩压长支管的单排气总管系统由于加长或加粗了排气支管，排气 管的总容积也随之增加，因而其性能更接近于定压系统，响应特性和部分负荷特性受 到影响，为克服这一缺点，同时仍然要保证泵气损失小和扫气不干扰的要求，近年来 我校发展了螺旋流排气增压系统。 螺旋流排气增压系统，最早与 i i p c 系统同时由法国热机研究所推出，当时称为组 合脉冲转换器b 方案( m p c 系统为a 方案) ，以后一直未见到其有关的报道。直到八 十年代中期，w a n s i l a 公司1 才正式在v a s a 4 6 中速柴油机上使用类似于方案b 的螺 旋流排气系统，见图1 2 ( d ) 所示。该系统采取总管内装套管的措施来防止扫气干 扰，因而排气总管的直径较大，实际上这是一种旋流定压增压系统。由于这种特殊的 排气管设计，气体从气缸的两个排气门流进一个螺旋支管，切向进入排气总管，排气 总管内嵌一个套管，使气体在进入涡轮前产生轴向螺旋气流，这样既可以避免扫气干 扰，排气支管不用缩口，减少泵气功损失，又可以较好地利用气体的动能，使发动机 具有较好的加速性和部分负荷特性。 旋流定压系统显然对柴油机的瞬态特性不是很有利。此外，带有套管结构的旋流 排气管也难以应用在小缸径的柴油机 上。为此，文献 3 在基于m p c 系统的 基本工作原理的基础上，开创性地提出 了一种新型的无套管螺旋流增压系统， 结构形式见图卜3 。其设计构思是在保 留m p c 系统原有优点的基础之上，进一 步削弱总管内的压力波动和扫气干扰， 同时又可有效地保留引射动能。在 6 1 3 5 z d 柴油机上采用无套管的螺旋流 排气系统，与原机的三脉冲系统相比取 得了令人满意的效果。此后，上海交通 大学也对类似无套管螺旋流排气系统 的性能进行了研究“5 ”，利用在广义 一维非定常流动的特征线法的基础上 考虑总管内的旋转动量守恒方程的措 图l 一3 螺旋流排气系统模件结构 一一一一 5 华中科技大学博士学位论文 施，计算了排气总管内的平均旋流速度，用来估算旋流的强弱对扫气千扰的影响。与 此同时。还采用区域耦合法对旋流分支管模件的湍流场进行了多维数值模拟，他们尽 管对螺旋流排气管结构和流动计算模型作了较大的简化处理，但这些工作对于了解旋 流分支管模件的内部流动细节仍具有一定的指导意义。文献 4 采用数学规划的方法 对n 8 1 6 0 z c 柴油机螺旋流排气系统结构参数进行优化设计，并进行了螺旋流系统与 m p c 系统的对比试验，试验研究显示：在大部分运行工况下。螺旋流系统较m p c 系统 具有良好的经济性和低的热负荷；在低速低负荷的工况下，则较m p c 系统稍差。对比 试验证实了螺旋流系统的增压效果，为从理论上探讨螺旋流排气系统的工作机理提供 了试验依据。该文还对螺旋流单三分支管的湍流流场进行了三维数值模拟，初步揭示 了螺旋流分支管内旋流的流动特征。由此可见，螺旋流排气系统是基于m p c 系统的基 础上开发的一种很有发展潜力的增压系统，目前国内外对其进行的研究还很不够，尤 其是在理论研究方面非常欠缺。一方面是由于这种排气系统只是在近几年才开始出 现，其应用范围还不广泛；另一方面因其几何结构形状相对较为复杂，要真实地模拟 其流动特征的难度较大。鉴于此，这也正是本文探索研究的初衷。 总之m s e m 增压系统，其排气支管虽有带缩口的、直管的、旋流的，甚至带扩张 的，但都具有以下几方面的特点： ( 1 ) 在结构上比较简单，不论缸数的多少，只有一根单一的排气总管。而且总 管直径较定压的小，排气管系的总体尺寸和重量较小，因此在布置上较为方便：出于 分支管可做成模件式，适用于系列化生产。 ( 2 ) 总管容积介于脉冲系统和定压系统之间，支管形式的不同，主要是解决扫 气干扰和泵气功的问题。 ( 3 ) 稳态性能兼有脉冲系统和定压系统的优点。低工况性能近于脉冲系统而大 大优于定压系统；高工况性能优于脉冲系统，瞬态响应特性接近于脉冲系统。 ( 4 ) 涡轮前压力波动小，近于定压系统，因此涡轮效率高，也不需要如用于脉 冲系统时带有叶片防震措施。 以上各点均可说明m s e m 系统的优点是突出的，因此近年来，使用m s e m 增压系统 的发动机逐渐增多。不过从表卜l 中给出的各种增压系统的性能对比中可看出，没有 一种增压系统是十全十美的，每种增压系统都有各自的特点和适用范围，且各种增压 系统之问有相互融合和补充的发展趋势“。因此，本文拟通过对螺旋流排气增压系统 进行较为深入的理论研究，为研究螺旋流排气系统的工作机理提供理论依据。 6 表卜1 各种排气系统的比较 双脉冲三脉冲脉冲转换多脉冲定压m p c长支管螺旋流 令负荷 i 气 1 j 分负倚幸1 气 部分矾甜进气k 山温度 加裁能j j 部分负荷燃油消耗率 伞伉荷燃油消耗牢 j 骨j k 器商j k 化的匹百c 忡能 涡轮叶”振动 对任意缸数的适麻性 结构简单和町靠性 ( y ：“+ “一”的多少分别表示改善或怨化的程度) 1 3 分支管流场数值模拟的研究概况 分支管常见于发动机的进排气管系中，在能源、化工和建筑的输运管路以及人体 血管等工程和生物领域也屡见不鲜“”。分支管由于其流型的多样性和流动的复杂性， 因而一直是人们研究的热点。本文将主要对国内外发动机进排气管系数值模拟研究的 进展进行概述。 1 3 1 内燃机进排气系统气体流动的研究 实验研究虽然直接、方便，但研究周期长，且需要昂贵的测试设备。另外，由于 技术二的原因，测量只能针对某些点进行，还不能实现全流场实时测量。在流场上布 置探针，对流场的干扰也较大，开设观察窗也很容易对流场造成干扰，使待测流场失 真。实验研究的另一个缺点是难于进行多方案比较3 。由于计算机技术的发展、普及 和计算方法的进步，使得研究发动机内流动情况的数值模拟成为可能。进排气系统模 拟“通常可分为零维容积法、一维特征线法和多维数值计算等。容积法能预测排气 管中的气体压力和温度随曲轴转角的变化，但无法反映压力波的传递和反射。特征线 法是解算一维非定常流的数值方法，在维流动中压力不仅随时间变化，而且沿管轴 线方向也是变化的。采用特征线法时，在分支管管接头处需要确定压力损失系数，在 管接头处若用等压边界，流量计算误差较大，若用动量边界则难于确定合适的边界条 件“1 。针对这一缺陷，文献 2 5 提出了一种广义维不定常流动计算模型，将分支管 一一 华中科技大学博士学位论叉 管接头不再单纯地作为假定边界来处理，而是考虑了其中的分支添加质量，因此在计 算时不再需要确定管接头处的有关系数，但同时也忽略了管接头处的压力损失。由此 可见，一维流动模型不能反映管道截面的速度和压力分布以及无法获取进、排气系统 内复杂的气体流动的细节。由于高速大型计算机的出现和数值分析技术的进步，使得 多维数值模拟已经不再是一件可望而不可及的事情了。 从七十年代开始，国内外陆续对发动机缸内流动进行了二：维和三维的流动计算。 国外已推出不少模拟缸内多维反应流或一般流动的通用计算程序，如k i v a 系列“”1 、 p h o e n i c s ”、s t a r c d 1 、f l u e n t 。“”和f i r e 等软件，使得通过数值模拟全面研究发动 机工作过程内部变化机理成为现实。对于进排气系统的多维流动研究较多地集中于对 复杂结构进气道的模拟上，如i a w o r t h ( 1 9 9 0 年) ”“、t a n gw e ik u o ( 1 9 9 2 年) 1 和k a n gyl u h ( 1 9 9 5 年) ”3 1 等。而对进排气管内的多维流动计算的研究工作相对较 少，且大部分工作集中于管接头的流动模拟上。1 9 7 8 年英国帝国理工学院的 a p 。1 1 a r d 和d b s p a l d i n g “3 在园柱坐标系下用s i m p l e 法对里9 0 0 夹角的t 型接头 的分流情况进行了三维定常不可压湍流计算，计算区域只考虑了水平圆截面总管，而 将垂直支管的入流作为已知的计算边界条件，湍流模型采用k 一模型。随后他们在 直角坐标系下又对方型等截面t 型管接头的汇流情况进行三维稳态不可压缩层流计 算，并与实验数据进行对比，发现考虑分支管流动的计算结果比将分支管作为已知边 界条件的计算结果与实验值更为吻合”。1 9 8 5 年英国曼彻斯特大学c d i l t l i t r i a d i s 等人。“3 用s i m p l e 法对排气管的三分支管接头进行了稳态的三维湍流计算，旨在了解 管接头处的压力损失和速度分布，计算时将直角坐标系或圆柱坐标系下的控制方程变 换到非等截面方型排气管非正交坐标系下求解，采用颇具特色的“计算分区耦合”的 方法，即将支管和总管分开计算，然后在交界面上以相容性条件为准则进行迭代，求 得整个管接头的流动。1 9 8 7 年l e s c h z i n e r 等。7 1 采用s i m p l 眠法在非正交坐标系下分 别对4 5 。试验管接头模件和实际的m p c 系统分支管接头进行稳态湍流计算，计算中采 用比较适合复杂区域流动计算的分区耦合法。湍流模型为k e 模型，对管接头的多 种流型进行了对比研究，能较好地预测管接头流场的主要流动特征。1 9 8 7 年s i e r e n s 等”1 用l d v 测速仪对9 0 。、4 5 。方型截面的管接头试验模件的速度场和压力场进行了 实测，比较了不同流型和入口质量流量对管接头内压力和速度分布的影响，该实测结 果有力地促进了数值模拟的研究。1 9 8 8 年a v ll i s t 研究所o ”对四缸发动机的进气管 进行了二维非定常流动计算，计算中采用正交坐标变换技术。使计算网格可以比较好 地贴合实际边界。1 9 9 2 年英国曼彻斯特理工学院f uh 等“”用s i m p l e x 法对发动机 进气管内的气体进行三维定常湍流流动计算，在进行数值模拟的同时还采用l d v 测速 仪对其进行实测，所得的实测结果与计算值比较致，表明数值计算的精度在逐步提 一一一 8 高。1 9 9 3 年美国通用汽车公司t a n gw e ik u o 等人”用通用流动计算软件s t a r c d 对 9 0 0 、4 5 0 等截面方型排气三分支管接头进行了三维稳态不可压缩湍流计算，在计算中 考虑了管接头的分流和汇流这两种常见的流型，其多维计算结果旨在为一维计算提供 精确的压力损失系数，此外还分别探讨了数值插分格式和网格疏密对数值解的影i l i q 。 1 9 9 8 年韩国现代汽车公司s a n g b o n gp a r k 等“2 1 用s t a r c d 软件对发动机的排气管系 和闭式耦合催化器( c l o s e c o u p l e dc a t a l y s t ) 进行了三维非定常耦合计算，湍流模 型采厢r n g * 一e 模型，在进行非定常计算时采用稳态计算结果作为计算初始条件。 1 9 9 8 年w j l1 i a m 等”采用c f d f l u e n t 软件对卡特比勒柴油机进气管系与缸内流动 进行了耦合计算，旨在基于c f d 流场分析的基础上对进气部分进行结构优化设计。 2 0 0 0 年g u o h u ig a n 等“”采用c f d f l u e n t 软件对单个方型截面的管接头进行了模拟， 计算结果表明：在管接头汇流情况下，压力分布和压力损失系数的预测与实验吻合较 好，而在分流情况下压力的预测效果不理想。2 0 0 0 年s i e r r af z 等“”分别采用k e 湍流模型、r n gk e 模型和雷诺应力模型对9 0 。t 型管接头内回流区进行预测，对 比发现雷诺应力模型能更好地预测管接头内回流区的范围。 8 0 年代后期，国内也开始对进排气系统进行多维流动模拟，其中进气模拟多集 中在进气道或进气道与缸内工作过程的耦合流动上，如杨玟( 1 9 9 8 年) “、蒋勇( 1 9 9 8 年) “7 1 和常恩勤( 1 9 9 9 年) ”。而对进气歧管的多维流动研究则很少。排气系统的 多维流动模拟则主要集中在三分支管接头处。1 9 8 8 年徐智等人“”采用s i m p l e 算法对 m p c 系统始端模块进行了二维稳态层流计算，计算中采用阶梯网格与边界“贴合”， 非计算区域采用区域扩充法处理，计算结果与实验数据吻合较好。1 9 9 1 年邓康耀” 用s i m p l e 法对一根三缸排气管进行了二维非稳态可压粘性湍流计算，湍流模型为x e 模型，计算时采用均匀直角坐标网格，非计算区域采用网格标记法处理。1 9 9 1 年 陈洪波等人”“对t 型叉管采用s i m p l e 算法进行了二维稳态不可压湍流计算，非计算 区域采用分区改变循环变量的方法，只对流动区域内的物理量进行计算。1 9 9 3 年黄 国荣等人”采用非正交贴体网格对圆截面t 型三通管进行了三维稳态层流计算。1 9 9 5 年徐伟忠等人”对m p c 模件进行了二维稳态层流计算，采用贴体坐标法生成计算网 格，非计算区域采用区域扩充法处理。1 9 9 5 年吴琦瑾“”用s i m p l e 算法在直角坐标系 下对m p c 始端模件进行了二维稳态流动计算，在圆柱坐标下对简化的旋流管接头进行 了三维非定常流动计算。计算中采用区域耦合法求解整个流场，各时刻排气管的入口 和出口处的实测速度分布作为三维非定常流动计算的进、出口计算边界条件。1 9 9 5 年朱义伦”用二阶m a cc o r m a c k 差分格式在贴体坐标系下对一个扩压长支管模件进行 了二维非定常流动计算。1 9 9 7 年胡欲立“”用k i v a 程序对一根三缸m p c 管系进行二 维非定常湍流数值模拟，经简化处理的入口速度边界条件考虑了排气相位变化的因 一一一一一 日 华中科技大学博士学位论叉 素。1 9 9 8 年帅石= ；：”1 采用a l e 法对单个螺旋流排气分支管接头进行了三维稳态流动数 值模拟研究，计算时采用贴体坐标网格，湍流模型为单方程亚网格尺度模型( s g s ) ， 并在剥几利一方案进行优选的基础