（动力机械及工程专业论文）增压柴油机双进气道流动特性的三维数值模拟研究.pdf

中文摘要 中文摘要 气缸内的气体流动是实现高效低污染柴油机的关键之一。而柴油机缸内气流 的流动状况很大程度上受到进气道的影响，因此对进气道流动特性的研究具有很 重要的意义。本文对双进气道增压柴油机的进气过程进行了三维瞬态数值模拟， 来研究双进气道的瞬态流动性能。 本文首先应用a v lf i r e 软件对柴油机的螺旋切向组合进气道进行了稳态模 拟研究，入口压力设置与试验条件一样，计算了不同气门升程的进气道的流动情 况，将仿真计算结果与试验结果进行比较分析，结果表明仿真计算与试验具有一 致性，为进一步研究进气道对柴油机进气过程的影响，进行增压柴油机迸气过程 瞬态数值模拟奠定理论基础。 对切向螺旋组合进气道的增压柴油机进行了进气过程瞬态数值模拟，分析了 随曲轴转角变化的下进气道对气体流动的影响。通过不同曲轴转角下的柴油机三 维场分布云图，从微观上研究了瞬态进气过程流动变化历程。本文选取了涡流比、 滚流比，平均湍动能、湍流耗散率，缸内平均速度和进气流量等随曲轴转角变化 的瞬态缸内平均量定量从宏观上研究了进气道对增压柴油机进气过程的流动变化 的影响。 其次，从组合形式方面研究了双螺旋组合进气道、双切向组合进气道对增压 柴油机进气过程的影响，并对几种组合形式的进气道性能进行了比较分析，研究 结果表明气道的组合形式对涡流和进气能力影响都较大。 最后，从进气道主要结构方面，选取了螺旋室高度、气门凸台高度、气道倾 斜角和气道夹角等四个关键参数，分别研究它们对增压柴油机进气过程气体流动 的影响，以此来评价其进气道的性能，研究结果表明结构参数在一定范围内对涡 流影响较大，但对缸内进气能力影响较微弱。 关键词：增压柴油机：进气道；瞬态模拟；组合形式；结构参数；流动特性 分类号： a b s t r a c t a bs t r a c t t h ea i rf l o wi n s i d et h ec y l i n d e rp l a y sa ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n c er o l ei nt h eh i g h e f f i c i e n c ya n dl o wp o l l u t i o nd i e s e le n g i n e a n dt h ei n t a k ep o r t sa r et h em o s ti n f l u e n t f o rt h ea i rf l o wi n s i d ed i e s e le n g i n e ，s ot h es t u d yo ft h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c so fi n t a k e p o r t si sv e r yi m p o r t a n ta n ds i g n i f i c a n t i nt h i sp a p e r , t h r e ed i m e n s i o n a lt r a n s i e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ei n t a k ep r o c e s si nat u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n ei st os t u d y t h et r a n s i e n tf l o wp r o p e r t i e so fd u a l - i n t a k ep o r t s i nt h i sp a p e r , t h ea v lf i r ei se m p l o y e di ns i m u l a t i n gt h es t e a d yf l o ws t a t u si n c o m b i n a t i o np o r t so ft h eh e l i c a la n dt h et a n g e n t i a l ，w i t ht h es a m ec o n d i t i o n sa st h e s t e a d yf l o we x p e r i m e n t 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t sa l ec o m p a r e dw i t ht h et e s tr e s u l t s ， w h i c hs h o wt h a tc o n s i s t e n c ya st h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c ho nt h e t r a n s i e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h et r a n s i e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ei n t a k ep r o c e s si nt h et u r b o c h a r g c d d i e s e le n g i n ei sc o n d u c t e d ，w i t ht h ea n a l y s i so fc h a n g e sw i t hc r a n ka n g l ei n l e tu n d e r t h ei n f l u e n c eo fg a sf l o w t h r o u g ht h et h r e ed i m e n s i o n a lc l o u dd i s t r i b u t i o no ft h e d i e s e le n g i n eu n d e rd i f f e r e n tc r a n ka n g l e s ，t h em i c r o s c o p i cs t u d yo ft h et r a n s i e n ti n t a k e p r o c e s si sc a r r i e do u t a n dt h es w i r lo rt u m b l er a t i o ，t h ea v e r a g et u r b u l e n tk i n e t i c e n e r g y , t u r b u l e n c ed i s s i p a t i o nr a t e , a v e r a g es p e e d ，a n dm a s sf l o w a st h ea v e r a g e a m o u n to ft r a n s i e n tc y l i n d e rq u a n t i t a t i v ea r es e l e c t e dt or e s e a r c ht h ef l o wc h a n g e so f i n t a k ep r o c e s s t h e nf r o mt h ef o r m s o ft h ec o m b i n a t i o n ，t h ei n t a k ef l o wi ss t u d i e do ft h e d u a l - h e l i c a lp o r t sa n dd u a l - t a n g e n t i a lp o r t s ，a n dt h ee f f e c to ft h ei n t a k ep e r f o r m a n c eo f t h et h r e ec o m b i n a t i o nf o r m sa r ea n a l y z e d ，w h i c hp r o v et h a tt h es w i r la n di n t a k e c a p a c i t ya r ev e r y d i f f e r e n t f i n a l l y , f r o mt h es t r u c t u r eo f t h ei n t a k ep o r t s ，s p i r a lr o o mh e i g h t ，v a l v ec o n v e x p l a t f o r mh e i g h t ，a i r w a yg r a d i e n ta n da i r w a ya n g l e 剐u s e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo f t h ep e r f o r m a n c eo fi n t a k ep o r t s ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tr e s u l t st h es w i r li se a s i e r i n f l u e n c e dt h a ni n t a k ec a p a c i t yo nt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s k e y w o r d s ：t u r b o c h a r g e dd i e s e le n g i n e ； i n t a k ep o r t s ；t r a n s i e n t s i m u l a t i o n ； c o m b i n i n gf o r m ；s t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ；f l o wc h a r a c t e r i s t i c s c l a s s n o ： v 致谢 本论文的工作是在我的导师徐字工教授和李国岫教授的悉心指导下完成的， 徐宇工教授和李国岫教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和 影响，指导我们完成了实验室的科研工作，对于我的科研工作和论文都提出了许 多的宝贵意见，并在在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助。在此衷心 感谢两年来徐宇工教授和李国岫教授对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，虞育松、李永平、张晶和胡东等同学对我论 文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成两 年的学业。 l 绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景及意义 随着人类对节约能源和环境保护的日益重视，节能和环保成为内燃机技术发 展的两大主题。柴油机由于其强劲的动力、较低的油耗、卓越的可靠性等优点， 在各种动力应用领域得到了快速发展。随着内燃机数量的增加，其消耗的燃油也 在迅速攀升。另外由于目前我国内燃机水平不高，污染较严重，因此开发低耗能、 低排放的柴油机成为一项越来越重要的任务与责任。 气缸内的气体流动，供油系统以及燃烧室形状及其三者之间的优化匹配是实 现高效低污染燃烧的关键。柴油机的进气过程是其工作循环的关键环节。新鲜空 气经过进气道进入柴油机缸内，受到气道位置及形状的影响，气流在进入缸内时 会有一定的方向及角速度以利于有效的组织空气运动【l 】。除了改善混合气的形成， 提高混合气质量外，主要利用气道产生的涡流来存储进气气流的动能，并在燃烧 时传播火焰( 微涡流) ，提高火焰传播速度【2 】，加快燃烧速度，最终达到改善燃烧 过程，提高柴油机功率的目的。 在进气过程中，气流从进气道经过气门流入缸内时，在气门处发生分离，且 在气门座和气门盘处受到的扰动较大，气流首先破碎为许多环状的小涡旋，这些 小涡旋不断耗散并相互作用最终形成较大尺度的涡旋。另外进气射流流入缸内时， 与气缸壁面发生碰撞，受缸壁导向作用在缸内形成总体环流，它还可能叠加由螺 旋进气道产生的进气旋涮引。 对于进气道、气门、气缸内的复杂气体流动问题，传统上一般在气道稳流试 验台上用经验的方法，不断修改气道的构形，最后用单缸试验机进行燃烧的优化 试验来确剧引。在稳流试验台上，通过试验计算可以得到的涡流比和流量系数， 通常用这两个量来表征进气道的宏观流动特性。而对进气道内气体流动进行三维 数值模拟，可以得到气道内更加详细的流动情况，从而进行进气道几何形状和结 构参数对气体流动的影响规律研究【l 】，以达到对要设计的气道进行性能预测的目 的，另外数值模拟还可以减少对进气道的试验调试工作，省时省力。而在稳态模 拟的基础上进一步开展非稳态模拟，也是一项有意义的研究工作。 北京交通人学硕士学位论文 1 2 柴油机进气道三维仿真的国内外研究现状 进气涡流的大小主要由进气道形状和发动机转速而决定。直喷式柴油机般 采用涡流进气道，从而可以在进气过程中形成绕气缸轴线有组织的气流运动，促 进油气混合，改善燃烧。通常进气涡流的产生方法有采用带导气屏的进气门，切 向进气道和螺旋进气道1 5 。切向气道是进气流在气缸壁上转向，以形成缸内涡流， 而螺旋气道则使进气流在进入气缸之前便形成涡流。除了上面的三种主要的进气 道形式外，还有直气道，但应用范围并不广泛。 直气道没有涡流产生，只要求流动阻力小以求得最高的容积效率就可以，它 的典型形状如图1 1 所示。 图l - 1 直气道 直气道应用于无须在气缸中产生进气旋转运动的燃烧室，其进气道的形状和 尺寸只要达到最大流量的角度设计就可以了【6 】。 带导气屏的进气道是通过气门头部的某些阻挡结构使空气流经气门时产生涡 流，其实质是阻止气流沿某方向流动。它是通过强制空气从导气屏的前面流出， 依靠气缸壁面约束，产生旋转气流。 图1 2 带导气屏的进气道 如图1 2 所示，导气屏占据的气门周长范围内气流不进入气缸，增大了导气 屏对面的气流速度，从而形成对气缸中心的动量矩。导气屏在试验时调整比较方 便，常在单缸机上作调试用，为新气道的设计提供参考数据。缺点是：由于导气 屏减小气流流通截面，使流通阻力增加，充量系数降低。气门上有导气屏，为保 证工作时气流的旋转方向和强度，进气门必须有导向装置，以防工作时转动，使 结构复杂，制造成本增加。气门盘刚度不均匀，变形大，气门在工作时又不能转 动，使气门容易偏磨，对密封不利 7 1 。早期所用的带导气屏的进气道，由于不能 2 1 绪论 产生足够的涡流强度以及其本身固有的缺陷已被淘汰。现在柴油机中基本上均采 用切向气道和螺旋气道。 切向进气道亦称定向进气道。它的气道中心线( 或其靠近进气门的一段中心 线) 与气缸成切向( 实际上是割线) 。空气经过切向进气道并在气缸壁圆周的导流 作用下在气缸内形成涡流。这种气道形状较平直，在气门座前强烈收缩，引导气 流以单边平直方向进入气缸。切向气道结构简单，流动阻力较小，产生涡流的能 力较弱。但对气门位置比较敏感，铸造时泥芯误差对气道性能影响较大，一般用 于要求较小或中等涡流强度的柴油机【_ 丌。 图l 一3 切向进气道 在进气道内，切向气道没有涡流产生。受到切向进气道导向作用，从气道内 高速流出的气流以一定的倾斜角度沿气缸圆周的切线方向进入气缸并与气门和气 缸壁发生撞击，从而在气缸内壁的约束下形成空气的旋转运动【4 】，这是切向进气 道产生缸内涡流的主要原因。气体在气缸壁附近发生碰撞和分离，沿气缸横截面 产生两个旋转方向相反的旋涡随着气体逐渐远离气阀( 进气门出口断面切向速度 分为两部分。一部分产生绕进气门轴线逆时针转动的较大涡流( 主涡流) ，另一部 分产生顺时针转动的较小涡流) ，最终小涡流不断耗散消失，缸内形成单一方向的 旋流，缸内气体速度分布不均匀性随着气流向出口流动，逐渐改善。切向进气道 形状比较平直，结构简单，在对进气涡流要求低时，流动阻力小；当对涡流要求 高时，由于气门口速度分布过于不均匀，其流通面积得不到充分利用。因此，切 向气道适用于对进气涡流强度要求不高的场合。 螺旋进气道是将气门座上方的气门腔做成螺旋形，使得气流在螺旋气道内就 形成一定强度的旋转，其气门口处气流的情况相当于在平直气道出口速度分布的 基础上，增加一个切向速度【4 】。因此经过螺旋进气道流入缸内的气流实际上是由 两部分组成。一部分螺旋气流是在在进气道内形成，与气门中心同轴，但不依赖 于气门在气缸中的位置；另一部分气流是由围绕气门座周围流量分布不均匀所造 成的，它的大小取决于气道的位置和气道相对于气缸的方向。在小气门开度时， 前者对涡流生成起主要作用，随着气门开度增大其作用减小；在大气门开度时， 后者成为重要因素，并补偿前者的作用，这部分气流主要与气道方位有关。螺旋 3 北京交通人学硕士学位论文 气道在缸内形成的总角动量和涡流比随气门开度的增大而增大。不同形式的螺旋 气道这两股气流的配合情况也各不相同，能产生较强的进气涡流，但制造工艺要 求高，调试工作量比较大。一般用于要求中等或较高涡流强度的柴油机。 。功 e 乒 迫 u 、- - _ 蔫 图1 - 4 螺旋进气道 通常，螺旋气道只能在中、小气门升程时产生较高的涡流，而切向气道能在 大气门升程时产生较高的涡流。因此，目前应用多为螺旋气道与切向气道的组合 气道。当然这样的组合气道需要分开布置。 1 2 1 柴油机进气道三维仿真的国外研究现状 针对柴油机进气道及缸内空气流动的数值模拟，国外学者已经进行了许多研 究工作，并且取得了很大进展。进气道的稳态流动研究较易进行，采用一系列固 定的不同气门升程的稳态气体流动来近似缸内瞬态气体流动状态，研究表明虽然 对于稳态中的涡流比和流量系数的计算结果与缸内气体实际流动有一定差异，但 是仍然可以用来评价进气流动性能的优劣。所以，对柴油机进气道进行稳态流动 的试验及其数值模拟研究仍然具有重要意义。但是，随着对柴油机燃油喷射、燃 烧及排放的数值模拟的深入研究，迫切需要进气结束时刻及喷雾燃烧开始前一时 刻气缸内平均流动状态和湍流强度，只有瞬态流动分析才能更加准确地模拟缸内 实际工作过程。因此，一些学者开展了瞬态流动分析的探索性工作。 1 9 9 0 年，t w a k i s a k a 和y s h i m a m o t o 等人采用k - e 模型对四冲程发动机 进气冲程流动特性的研究分析瞪j 。采用一种基于有限体积法和贴体非正交网格法 的新的计算方法g t t 方法，成功地计算了单进气道和双进气道发动机在气缸 的进气口，缸内( 包括运动的进气阀) 整个区域内的三维空气流动。 1 9 9 9 年，k e r ny k a n g 和r o l f d r e i t z 研究了在直喷式柴油机上进气道排 列位置对涡流生成的影响【9 l 。在四气门大缸径柴油机缸盖上不同几何布置的进气 道在进气过程中产生涡流的机理是不一样的。研究结果表明对称布置( 即各气门 阀到对称轴线的距离相等) 的进气道由于相对于进气道具有一定的偏心能够产生 更强的涡流。在倾斜布置( 即各气门阀到对称轴线的距离不等) 的进气道的发动 4 1 绪论 机中，尽管在小气门升程时由于生成的整体旋流减少以致涡流可能消失，但增大 最大气门升程可以有效地改进涡流的产生能力。 2 0 0 2 年，a n d r a s 和z o l t a n 等基于一个自行开发的程序对柴油机进气道的气体 流动特性进行了数值模拟研究i l0 1 ，并讨论了几种可能存在的针对工程问题的数学 方法及其数值计算方法。 2 0 0 7 年，gjm i c k l o w 和w - dg o n g 对四气门柴油机进气道缸内气体流 动进行了数值模拟1 1 1 1 。采用三维非定常湍流可压缩n a v i e r - s t o k e s 方程在k i v a 3 v 上求解进气道内和缸内流场。对k i v a 3 v 的前处理文件k 3 p r e p 进行了修改， 这样生成的网格包括四个运动的气阀，两个进气道和两个排气道。并将计算得到 的缸内全局流动特性与试验数据进行了比较，验证了其对进气过程的模拟是可信 的。 许多学者还改变进气道几何形状来提高涡流产生能力【1 2 。1 7 】，且在直喷式柴油 机上的排放物也能够证明此方法对涡流水平的提高是显著的【i s , 1 9 。此外小缸径直 喷式高速柴油机上，对于进气产生的涡流和滚流运动的细节的研究是很有必要的 【2 叭。因此了解进气过程中气流涡流形成机理的研究也具有重要意义。 综上可见，国外已掌握了有关进气道流动的多维数值模拟计算的关键技术， 如数值模拟方法、湍流模型、网格生成及运动边界( 活塞和气门) 的处理等，但 大量工作仍在深入开展之中。 1 2 2 柴油机进气道三维仿真的国内研究现状 在国内，对与进气道气体流动方面的数值模拟研究起步较晚，主要是从2 0 世纪8 0 年代中后期开始的。在这方面的研究工作，相对来说比较薄弱，但也是大 量内燃机研究者目前正探讨的重点和热点之一。 孙济美，牟永泉和董愚等人发展了一种可用于发动机进气门处流场计算的湍 流模型，将湍动粘性系数l l 。看作是一个张量，由此得到修正的k 模型，通过两 种湍流模型的计算结果与实验数据作对比，证明修改了的k 吨模型对气道内流场 的预测精度又提高了一步【2 1 1 。 李理光，许斯都和段家修等人针对进气门座结构参数对进气道性能影响的研 究进行了二维稳态进气流动模拟计算，研究表明体流动在进气门座处产生较大的 流动损失和压力损失。且理论计算与试验结果有良好的吻合性。因此二维稳态流 动模拟计算，为从理论上分析进气门座圈结构参数对进气流动性的影响提供了切 实可行的手段【2 到。 北京交通人学硕士学位论文 杨玟和吴承雄对进气道稳流试验装置内的三维流动特性进行了数值分析，研 究表明：减小气门升程，气流绕流气门盘产生的回流区的径向范围增大，轴向范 围减小，气缸内气流沿轴向能更快趋于均匀。增大气门升程，通过气道的流量增 加，流速增大，气道内产生的角动量也增大，并且能够比较自由地进入气缸，所 以涡流比随着气门升程增大而增大瞄j 。 常思琴和刘雪洪在对柴油机螺旋进气道内气体的流动进行数值模拟是，着重 探讨了数学模型的建立，计算网格划分与计算结果分析等有关关键问题。他们采 用了组合网格划分方法，这种方法对于具有任意复杂外形的流动区域具有良好的 适应性，在壁面附近也能较好地反映实际情况，从而保证了计算精度f 2 4 l 。 2 0 0 2 年，罗马吉对进气道缸内系统进气过程进行了三维瞬态数值模拟研 究，研究结果表明：在进气过程初期缸内形成双涡滚流，滚流的形成主要受流向 排气门侧的气流控制，加强这股气流可提高滚流强度；进气过程中进气系统流动 阻力的表现形式不一样。在进气过程的前期和后期，造成进气阻力的主要原因是 进气门的阻碍作用，在进气中期，进气流动损失主要在进气道弯曲过渡段；在进 气过程中，缸内平均湍动能在进气初期上升很快，在进气中后期衰减，且后期比 中期衰减得慢1 2 引。 2 0 0 5 年，张志荣针对大众宝来1 9 t d i 类型的发动机进气过程进行了三维瞬 态数值研究。研究结果表明在进气的初期，进气道形状和位置分布对缸内流体的 速度场分布、压力、湍流强度等影响不大；进气过程中后期，缸内流场的状态随 活塞的下移，流动不再是单纯意义上的涡流和滚流，而是这两种流动的结合。并 且，其进气系统的充气效率与湍流强度相互制约【2 6 1 。 2 0 0 6 年，冉景煜，张志荣和张力等人对切向进气道柴油机缸内流场进行了三 维瞬态数值模拟计算，采用三维瞬态数值计算可以获得稳态计算和试验难以得到 的进气过程中流体瞬态流动特性规律，从而为进气优化设计提供可靠依据【27 l 。 2 0 0 7 年，江苏大学的夏开彦通过对四气门的柴油机进气道进行c f d 分析研 究，指出气道的偏心距改变、气道旋转后，螺旋气道中的切向气流产生涡流的能 力减弱了，从而导致缸内涡流比下降；对四气门柴油机两气道相对夹角变化的研 究结果表明：即使两个气道的气门中心位置不变，两气道夹角改变也会明显减小 涡流强度1 2 引。 2 0 0 8 年，杨靖和陈浩等对双切向进气道进气过程进行了三维瞬态数值模拟， 得到了大量三维流场的微观信息，并直观地对流动特性进行了分析，计算结果表 明随着气门升程的增加，长切向进气道利用气缸壁所形成的顺时针涡流逐渐增强， 惯性作用下短切向气道中所产生的绕气缸中心线逆时针旋转的气流逐渐衰减，涡 流增强。气流在远离气门的过程涡流逐渐形成，最后在燃烧室形成较强的涡流。 6 1 绪论 通过试验验证了所设计的气道具有较强的流通特性并可在缸内形成强涡涮2 叭。 同年，司鹏昆和侯树梅等通过对螺旋进气道结构参数对气道流通特性的影响 研究，研究表明：对于螺旋进气道，其结构参数对流通特性的影响是多元的。涡 流室高度和气道下倾角对流通特性的影响最敏感，且其影响都不是单调的。螺旋 段终点角和气道上倾角对于流通性能的影响是单调的，随螺旋段终点角的增大或 气道上倾角的减小，平均涡流比减小，平均流通系数增大。螺旋角对流通特性的 影响存在一个极值点。大于或小于这个角度，平均涡流比都会减小，平均流通系 数都会增大1 3 0 。 2 0 0 9 年6 月，李明海，王磊和崔洪江通过对气道气缸流动的三维数值模 拟计算，及对螺旋进气道结构参数进行的优化研究，指出气道的流通性能和产生 涡流的能力是气道各结构参数交互综合作用的结果。对于小缸径气缸的螺旋进气 道，在不牺牲流量系数的前提下，适当地增大螺旋室容积可以明显提高产生涡流 的能力p 。 2 0 1 0 年，江苏大学的陆文霞利用f i r e 对所建立的气道气门气缸的 三维模型进行数值模拟研究，根据气道稳流试验对其数值模拟进行了验证，结果 表明仿真计算结果与试验结果吻合较好，对柴油机进气道进行三维数值模拟研究 是可靠的。通过对不同气道模型的c a d c f d 研究，确定了影响螺旋进气道性能 的主要结构参数，小气门升程时，各结构参数的改变对气道流量系数影响较小， 气门升程越大，影响程度越大；而涡流强度在整个气门升程范围内均呈现规律性 变化【3 2 1 。 同年6 月，胡云萍和李秋霞应用动网格技术，对8 1 7 0 柴油机的在进气冲程程 和压缩冲程的瞬态流场进行了三维数值模拟研究。研究结果表明：进气冲程初期， 缸内气流运动非常紊乱；随着活塞的下行及气门升程的增大，缸内气流逐渐形成 多个小的涡旋；进气冲程后期，缸内逐渐形成单一大尺度进气涡流，且此涡旋不 断发展、稳定和加列3 3 l 。 目前国内对四气门气道的研究多数集中在应用试验方法来改进气道这一阶段。 对于进气道缸内系统三维流动模拟也大多数是针对稳态模拟来进行研究，在少量 瞬态模拟中，大多数学者也只是对缸内流场进行大概的说明表述，没有给出定量 的值来评价进气道缸内的流动特性的好坏。 1 3 柴油机进气道流动特性的研究方法 在柴油机进气道流动特性的研究方法中，主要有稳态和瞬态两种方法1 3 4 1 。 7 北京交通大学硕士学位论文 稳态法又包括稳态试验和稳态数值模拟。稳态流动试验装置简单，没有考虑 到活塞及气门瞬时运动，只能针对在固定气门升程进行试验，无法反映柴油机真 实、连续不断的进气过程【2 3 3 5 1 。稳态数值模拟是在根据稳态试验进行三维数值模 拟，可以反映进气道几何形状对其性能的影响，并减少试验的盲目性，节省时间 和财力，但是这种研究方法与柴油机的实际工作过程仍然具有很大的区别，依然 无法反映其实际情况【3 6 , 3 。7 1 。虽然稳态法具有一定的局限和缺点，但是由于稳流试 验台原理简单，结果可靠，能迅速给出结果，广泛用于直接指导生产，故稳态法 是国内外研究进气道性能的广泛采用并行之有效的方法【3 引。 针对稳态法，人们总结出涡流比和流量系数这两个参数来评价进气道的性， 即分别表征其进气涡流强度和流动阻力。一般良好的进气道应该具有较强的进涡 流强度和较低的流动阻力，但是这两个参数又是相互矛盾的【3 明。大多数情况下进 气阻力是随着涡流强度的提高相应增加，即提高涡流比必将导致流量系数的降低， 相反，提高流量系数也将会使其涡流比降低。因此，要尽可能的在进气涡流变动 不大的情况下，降低气道流动阻力，提高流量系数，减少流动损失。在稳态研究 方法中，得到的结果是流动的综合量，只能表征流动的宏观特性，不能为改进气 道提供更多的信息。 目前，非稳态流动试验可以精确地模拟柴油机的进气过程，研究其缸内的真 实流场，但是这种方法测量装置非常复杂，试验代价高，且不易实现测量。因此， 很少有用到。但是通过瞬态模拟计算柴油机进气道缸内系统的进气过程，既 没有非稳态流动试验的代价昂贵，又可以模拟出柴油机实际进气过程来分析气体 流动随时间的变化规律 4 0 - 4 3 】。因此，瞬态模拟计算是研究柴油机进气道及进气过 程的最优方法。 1 4 论文的主要研究工作 本文利用a v lf i r e 软件，针对双进气道增压柴油机的进气过程进行三维瞬 态数值模拟，研究增压柴油机进气道及其缸内空气运动的特性，双进气道之间的 相互干扰，进气道的不同组合形式和不同结构参数对增压柴油机进气道流动特性 的影响规律。柴油机进气道的进气过程瞬态数值模拟可以更加真实的反映进气道 的流动特性，减少了大量的重复实验，从而可以缩短柴油机优化设计的周期，节 约大量的人力以及物力。本文主要研究工作有： 1 ) 、对柴油机进气道流动特性进行三维稳态数值模拟。建立柴油机进气道稳 态模拟所需的三维几何模型，对所建立的几何模型分别进行网格划分，并选择合 8 1 绪论 适的初始条件和边界条件。然后对柴油机进气道进行三维稳态数值模拟计算，与 试验结果进行对比，根据稳态模拟得到大量三维流场的微观信息，研究气体流动 流场在稳态模拟中随气门升程的变化规律。 2 ) 、对增压柴油机双进气道流动特性进行三维瞬态数值模拟。建立柴油机进 气道瞬态模拟所需的三维几何模型，对几何模型进行初始网格划分，根据柴油机 的实际情况进行动网格，选择合适的初始条件和边界条件，然后对柴油机进气道 的进气过程进行三维瞬态数值模拟计算。研究气体流动随曲轴转角的变化规律和 流场演变的历程，并对缸内全局变量进行分析，进一步从整体上反映流场变量随 曲轴转角的变化趋势。 3 ) 、柴油机进气道组合形式对其流动特性影响规律的研究。通过对双螺旋组 合气道和双切向组合气道的柴油机进气过程进行瞬态数值模拟计算，来研究不同 进气道组合形式对气道流动特性的变化规律。 4 ) 、柴油机进气道主要结构参数对流动特性影响规律的研究。改变进气道的 螺旋室高度、气门凸台高度、气道倾斜角和气道夹角等结构参数，对进气道气体 流场进行瞬态数值模拟，研究柴油机进气道主要结构参数对其流动特性的影响变 化规律。 9 2 柴油机进气道气体流动三维仿真的数学模型 2 柴油机进气道气体流动三维仿真的数学模型 2 1 柴油机进气过程的基本控制方程 模拟计算的前提是建立正确的数学模型，得到一组能够正确反映柴油机工作 过程本质的控制方程。柴油机工作过程的数值模拟中，对流体运动( 包括层流和 湍流) 是基于三条基本的物理原理：质量守恒定理、能量守恒定理和动量守恒定 理q 6 】。描述缸内气体流动的控制方程组具有非线性特点，在通常情况下不能用 常规解析方法进行方程组求解。必须首先把微分方程离散成代数方程，再根据初 始条件( 对非定常问题) 和边界条件，用数值方法在计算机上进行求解。 2 1 1 质量守恒方程 质量守恒定律是流体运动所应遵循的基本定律之一，它的含义是包含在流体 系统中的流体质量在运动过程中保持不变。另一种说法是，在固定空间中的流体 质量的减少率等于再次期间通过其表面的质量通量。前者指对系统，后者指对控 制体。将此定律作数学表达即为连续性方程。 望+ 皇丝+ 皇盟+ o ( p w ) ：0 ( 2 - 1 ) o t反 o y o z 这就是直角坐标系中流体运动的微分形式的连续性方程。 其中，“表示沿x 方a 向的体积流量密度： p u 表示沿x 方向的质量流量密度； o ( p u ) 缸沿x 方向，单位体积内净流出的质量流量； 劫甜单位时间，单位体积内质量的增加量。 它的含义是在流体系统中的流体质量在运动个过程中保持不变，或在固定空 间中的流体质量的减少率等于在此期间通过其表面的质量通量。对于稳态或非稳 态过程、理想流体或真实流体、可压缩或不可压缩、牛顿型流体或非牛顿型流体 均适用。 北京交通大学硕十学位论文 2 1 2 动量守恒方程 动量守恒定律是自然界中最重要最普遍的守恒定律之一，它适用于从微观粒 子到宏观物体、从低速到高速运动的各种情况。 动量守恒定律的一般性表述是：当一个系统不受外力或所受外力之和为零时， 这个系统的总动量保持不变。 直角坐标系下的流体运动微分方程 p 告= 一塞+ c 窘+ 雾+ 争+ 等昙c 罢+ 安+ 西o w ， c 2 之， p 瓦d v = 一考+ ( 窘+ 窘+ + 1 3 j 却af 、o 瓦u + 考+ 瓦o w ) ( 2 - 3 ) 夕詈= 胆一笔州窘+ 窘+ 虿a 2 w j + 1 3 t 色a ( 、o 夏u + + 言o w c 2 4 ， 夕百2 胆一言+ 丽+ 矿+ 虿一色、夏+ 石+ 瓦) 旺舢 直角坐标系下的向量式 p 等= 露一v p + 胛2 厅+ i 1 ( v 厅) ( 2 - 5 ) 其中，p d a d t 表示单位体积流体所受的惯性力； 瓦表示作用在单位体积流体上的质量力； 一v p 表示作用在单位体积流体表面上的压力的合力； 矽2 厅+ 1 3 p v ( v 历) 表示作用在单位体积流体表面上的粘性力。 动量平衡是流体运动时所应遵循的一个普遍规律。它的含义是，对一给顶的 流体系统，其动量的时间变化率等于作用于其上的外力总和，既可表述为：微元 体中流体动量的增加率= 作用在微元体上各种力之和。 2 1 3 能量守- 匣方程 能量方程来源于热力学第一定律。热力学第一定律是在系统处于平衡状态时 成立，而一般来说，流体系统在不断运动着。实际上，由于流体松弛时间即调整 到平衡态的时间很短，可以假设，流体是处于一种局部平衡态，即离平衡态只有 极小偏差的状态，流体将很快趋于平衡态。 能量方程为如下形式， 1 2 2 柴油机进气道气体流动三维仿真的数学模型 三b = 咒l u + * - - - d i v ( p u ) + 2 _ d i v ( k g r a d t ) + q ( 2 6 ) l h pp 其中，眈。d f 表示单位质量流体储存能的变化率； e ，u 表示单位时间内质量力对单位质量流体所作的功； d i v ( p u ) p 表示单位时间内表面力对单位质量流体所作的功； a i v ( k s i r a d t ) p 表示单位时间内外界通过单位质量流体表面传入的热量； g 表示单位时间内加给单位质量流体的辐射热。 能量方也是流体运动，应遵循热力学第一定律，表述为：对某一流体系统所 作的功和加给系统的热量，将等于系统的能量增加值。 2 2 湍流模型 柴油机的进气过程是一个复杂的三维流动，进气过程中流体的运动一般都具 有相当高的湍流度，气体始终在进行着极其复杂而又强烈瞬变的湍流运动。这种 湍流运动决定了各种量的输运及其空间分布，对可燃混合气的形成及其浓度场、 火焰传播速率和燃烧品质、缸壁的传热及污染物的形成等具有直接的、本质的影 响。因而正确模拟湍流的影响是进气流动模拟的关键。湍流最终的效应是大大的 增强了质量、动量和能量的输运。 本文采用k 争f 湍流模型【4 7 】。l ( - 争f 湍流模型的实质是d u r b i n 提出的v 2 一厂模 型【4 盯，为了提高其计算收敛性，h a n j a l i e ，p o p o v a c 和h a d z i a b d i c 【4 9 , 5 0 对其进行了 改进。经过修正后，k 0 f 模型与d u r b i n 的伊一厂模型相比，更加稳定，收敛性也 得到极大改善。 k 争f 湍流模型引入了湍流的速度尺度f = ，2 k ，来替代速度尺度，2 。 湍流速度的计算公式为： v = q f 等 ( 2 - 7 ) 上式中，巴为经验常数；为湍流的速度尺度；k 为湍动能；为湍能耗散率。 湍流粘度为： - 湍流能量输运方程： h = 孵f 了k 2 ( 2 8 ) 1 3 北京交通人学硕士学位论文 p 警叫即) + 熟+ 箦崩 像9 ) 湍流能量耗散方程： p 鲁= p 学+ 毒陋+ 箦) 考 c 2 加) 湍流输送速度比例率方程： p 警= 一p 丢最+ 考酏+ 等 筹 c 2 小) 模型中f 的计算由下式得到： 川丽a 2 f = ( c - + 唾) 掣 泣 式中，“为湍流粘度；p 为气体密度；卑表征湍动能的产生项；l 表征湍流 空间尺度；t 为湍流时间尺度；l i 为粘度；以为湍流粘度；e 。、e ：、吒、吼、 气、c i 、c 2 分别为经验常数。 湍流时间尺度和湍流长度分别为： r = 一，赢h 才) 沼 = c 上m a x 岫 钭q 舅 沼 在湍流能量耗散方程中，修正系数- 采用下式计算： c ：= c 。1 + 0 0 4 s , 巧) ( 2 - 1 5 ) 其中，c ：、g 、q 、q 为经验常熟。 k 争f 湍流模型概括来讲其实一个四方程模型，即k ，e ( e p s i l o n ) ，z e t a 和f o 由于引入了新的输运方程来表征与湍流粘度鸬有关的变量湍流的速度尺度，因 而能够体现出湍流各项异性的特点，对旋流和分离流动的模拟精度较高。k 一争f 湍 流模型计算精度比内燃机计算广泛使用的k - 模型高 5 ，计算比较稳定，计算量 1 4 2 柴油机进气道气体流动三维仿真的数学模型 2 3 壁面模型 上节中提到的k - 争f 模型是针对充分发展的湍流，即高r e 数的湍流模型。但 是，对于近壁区的流动，r e 数较低，湍流发展并不充分，湍流的脉动影响不如分 子粘性的影响大，这样在这个区域内就不能使用前面建立的湍流模型进行计算， 必须采用特殊的处理方式5 2 】。常用的壁面处理方式主要有：标准壁面函数法、双 曲壁面函数法和复合壁函数等【5 3 1 。 2 3 1 标准壁面函数法 标准壁面函数法( s t a n dw a l lm o d e l ) 忽略受粘性影响的内部区域，即粘性底 层和过渡层，这是一个半经验的壁面函数将壁面上的物理量与湍流核心区内的相 应物理量联系起来，通过试验验证和相似原则推导出来。假设离开壁面的第一层 网格内节点p 位于雷诺等应力层，通过壁面函数建立第一层网格与壁面特性的关 系： u + ：y + y + 1 1 6 3 ( 2 1 7 ) 其中： u + = 掣责k p l l 2 啡 像 y + = 掣4 等- - 1 2 协 u = k p ( 2 2 0 ) 式中，k 为卡门常数，下标p 代表贴近壁面一层网格中心点，e 为定常数。 在标准壁面函数中，剪切力为常数和当地平衡假设，如果近壁面流动遇到强的压 力梯度或者很强的非平衡状态，会有误差。 1 5 北京交通人学硕士学位论文 2 3 2 双区壁面函数法 在双区壁面函数法( t w ol a y e rw a l lm o d e l ) 中，认为近壁流动只分为两个区 域，即粘性影响区和全湍流区，用基于到壁面距离y 的雷诺数r e 。来判断， r e j ，= p y , - k l # ( 2 2 1 ) 对于r e 。， 2 0 0 的完全湍流区域采用k - ；f 模型，对于r e ， 2 0 0 的粘性影响区 采用低雷诺数方程模型求解近壁网格的方程和湍流粘度。双区壁面函数法不依赖 壁面法则，对于复杂流动，特别是低雷诺数流动很适合，但是这种方法要求网格 密，因而要求计算机处理时间长，内存大阱】。 2 3 3 复合壁函数法 复合壁函数法( h y b r i dw a l lm o d e l ) 又叫广义壁面处理( o e n e r a l i s e dw a l l t r e a t m e n t ) 1 4 7 , 5 5 ，平缓地过渡了对粘性边界层和壁面的处理。这种方法是p o p o v a c 和h 觚j a l i c 扩展了k a d e r 对壁面边界层内温度分布和湍流特性的处理建议从而建 立起来的。 壁面无量纲距离： u + = y + e - r + 去h ( 砂+ ) e 。1 厅( 2 - 2 2 ) z w = t 毒 亿2 3 ) 其中： y + u ，兰 ( 2 2 4 ) r ：掰 c 22 5 ， r = 一一二： ! 一 ( ) l + 5 f y + 式中，为分子普朗特数。 复合壁函数法对近壁处的湍动能进行了修正。模型修正以后，对壁面无量纲 距离较高的区域，计算结果与采用标准壁面函数的一致，对于壁面无量纲距离y + 较小的区域，计算结果与采用低雷诺数模型的一致，从而提高整个壁面模型的处 理计算精度。 1 6 2 柴油机进气道气体流动三维仿真的数学模型 2 4 控制方程的离散及求解 控制方程的离散化是指在按一定方式网格化的积分区域内，把连续变化形式 描述的微分方程转化为离散的有限数量的代数方程，进而进行求解。控制方程的 离散化的方法是多种多样的，常用的离散方法有：有限差分法、有限元法、有限 分析法和有限容积法。 有限差分法是将求解区域中用与坐标轴平行的一系列网格的交点所组成的点 的集合来代替，在每个节点上，将控制方程中每一个导数用相应的差分表达式来 代替，从而在每个节点上，形成一个代数方程，每个方程中包括了本节点及其附 近一些节点上的未知值，求解这些代数方程就获得了所需的数值解。这个方法有 历史上的意义而且易于编程，现在只在特殊化的代码中使用。但是有限差分法对 复杂区域的适应性较差，而且对数值解的守恒性也难以保证。 有限元法是把计算区域划分为一系列元体，在每个元体上取数个点作为节点， 然后通过对控制方程做积分来获得离散方程。有限元法最大的优点是对不规则区 域的适应性较好。但计算的工作量一般要比有限容积法大，而且在求解流动与换 热问题是，对流项的离散处理方法及不可压缩流体原始变量法求解方面没有有限 容积法成熟。 有限分析法是由陈景仁教授在1 9 8 1 年提出。同有限差分法一样的是，这种方 法也用一系列网格线将区域离散，所不同的是每一个节点与相邻4 个网格问题组 成计算单元，即一个计算单元由一个中心节点与8 个邻点组成。在计算单元中把 控制方程中的非线性项局部线性化，并对该单元上未知函数的变化型线作出假设， 把所选定型线表达式中系数和常数项用