（动力机械及工程专业论文）c14d发动机进气道流场三维数值模拟.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研、 究工作及取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和 ，7 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 、i 果，也不包含为获得武汉理工大学或其它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了谢意 研究生( 签名) ：l 琶蚤奄日期：地选目璺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 瞬导师( 签名) ：纥彪日期：幽i 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在汽油机中，进气道是决定充量系数、混合气形成和燃烧过程好坏的关键 因素之一；进入气缸中的空气量和进气产生的流动状态是影响内燃机的动力性、 经济性以及排放性能的主要因素。 传统的进气道设计流程是经验设计加上稳流试验台上的反复试验。在设计 开发中存在着较大的盲目性与局限性，不仅设计开发周期长，耗费大，而且较 难得到理想的方案。 通过对进气道内气体流动的三维数值模拟计算，可获得流量系数，气道内 压力、流速等参数的空间分布，并建立气道形状、安装位置与气体流动特性( 包 括流量系数等) 的关系，为汽车发动机进、排气道的设计与改进提供依据。 本研究主要工作： 1 综述了汽油机进气道的研发方法、流体所遵循的物理规律和数学模型相 关理论。 2 利用三维造型软件u g ，建立了实体模型。 3 利用f i r e ，建立了包括气道一气门一气缸在内的计算域网格。 4 利用f i r e 进行三维模拟计算。计算模拟出气道的流量系数、进气流动 的速度场、压力场和滚流迹线图等三维模拟结果。 5 比较不同湍流模型对模拟结果的影响。 6 在原机型的基础上，改变气道模型和燃烧室角度，对比了改进前后模拟 仿真结果。 本文的意义在于：通过进气道c f d 仿真计算，获得了进气道结构对流量系 数的影响规律，并采用c a d c f d 相结合的手段，分析了切向气道和蓬形燃烧室 角度的改变对汽油机进气道流场的影响。 关键词：数值模拟，进气道改进，流量系数，c f d a b s t r a c t i nt h eg a s o l i n ee n g i n e ，t h ei n t a k ep o r ti so n eo ft h ek e yf a c t o r sw h i c hd e t e r m i n e f l o wc o e f f i c i e n ta n dt h ef o r m a t i o no ft h em i x t u r eg a sa n dt h ep r o c e s so ft h e c o m b u s t i o n t h ee n t e r i n ga i rv o l u m ea n dt h ep r o d u c e df l o ws t a t ei st h em a i nf a c t o r s f o rt h ed y n a m i co ft h ee n g i n ea n de c o n o m ya n de m i s s i o np e r f o r m a n c e t h et r a d i t i o n a ld e s i g no ft h ei n t a k ea d o p tt h ee x p e r i e n t i a ld e s i g na n dt h e r e p e a t i n ge x p e r i m e n t so nt h es t a b l i z e de x p e r i m e n tt a b l e t h e r ea r eb i g g e rb l i n d n e s s a n dl i m i t a t i o n si nt h ed e s i g n a t i o na n dl o n gd e s i g nc y c l ea n dt h el a r g ee x p e n s ea n d d i f f i c u l tt og e ti d e a ls c h e m e b a s e do nt h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h eg a sf l o wi n t h e i n t a k e ，c a no b t a i nf l o wc o e f f i c i e n ta n dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ep a r a m e t e r ss u c h a s t h ea i rp r e s s u r ea n df l o wv e l o c i t yi nt h ei n t a k ea n de s t a b l i s ht h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es h a p ea n dl o c a t i o no ft h ei n t a k ea n dt h er u l ea n dc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n g f l o wc o e f f i c i e n to ft h eg a s ，i th a sp r o v i d e dt h eb a s i sf o rt h ed e s i g na n di m p r o v e m e n t o ft h ei n t a k ea n de x h a u s to fa u t o m o b i l ee n g i n e t h em a i n l yw o r ko ft h i ss t u d y ： 1 r e v i e w st h ed e v e l o p m e n to fe n g i n em e t h o d , t h ef l u i di n t a k eb yl a w so f p h y s i t s ，m a t h e m a t i c sm o d e la n d f i n i t ee l e m e n tr e l a t e dt h e o r y 2 u s i n gt h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l l i n gs o 脶l a r eu g t oe s t a b l i s hs o l i dm o d e l 3 u s i n gf i r et oe s t a b l i s ht h e 鲥do f t h ec a l c u l a t i o nd o m a i nf o rt h ei n t a k e - v a l v e c y l i n d e r 4 u s i n gf i r et os t a r tt h et h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nt og e tt h er e s u l to f t h r e e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nf o rt h ef l o wc o e f f i c i e n ta n dt h ev e l o c i t yf i e l do ft h ea i r f l o wa n ds t r e s sf i e l da n dt h er o l l i n gt r a i lc h a r t 5 c o m p a r i n gd i f f e r e n tt u r b u l e n c em o d e lo fs i m u l a t e dr e s u l ti n f l u e n c e 6 o nt h eb a s i so ft h eo r i g i n a lm o d e l ，i n c r e a s i n gt a n g e n t i a lc o m p o n e n tt ot h e i n l e tw h i c hi sa b o u ta d d i n gi ns t r a i g h ti n l e ta n dc h a n g i n gt h ea n g l eo ft h ec o m b u s t i o n r o o ma n dc o n t r a s tt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e s et w om e t h o d so fi m p r o v e m e n t t h es i g n i f i c a n c eo ft h i sp a p e r ：u s i n gt h ec f ds i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no ft h ei n l e t t oa n a l y s i st h er u l ea b o u tt h ei n f l u e n c eo ft h ei n l e ts t r u c t u r eo nt h ef l o wc o e f f i c i e n t a n de o m b m i n gt h em e t h o do fc a d c f dt oa n a l y s i st h ei n f l u e n c eo ft h et a n g e n t i a l i n l e ta n dt h ec h a n g e so fa n g l eo ft h ec o m b u s t i o nr o o mo nt h ef l o wf i e l do ft h ei n l e t a n dt h er o l l i n gf l o wi nt h ec y l i n d e r k e yw o r d s ：s i m u l a t i o n , i n t a k ep o r ts t r u c t u r ei m p r o v e m e n t , f l o wc o e f f i c i e n t , c f d m 目录 摘! i ：i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 气道设计和气道流动理论研究3 1 2 1 气道设计- 3 1 2 2 气道流动特性的理论研究5 1 3 国内外进气道c f d 数值模拟的研究状况6 1 4 发动机的缸内气流运动8 1 5 本文研究内容1 1 第2 章数学模型1 2 2 1 数学模型1 2 2 1 1 控制方程1 2 2 1 2 湍流方程15 2 2 控制方程的离散1 7 2 2 1 有限差分法1 7 2 2 2 有限元法18 2 2 3 a l e 算法18 2 3 软件概述2 0 2 4 本章小结。2 1 第3 章模型的建立及边界条件的确定2 2 3 1 前言2 2 3 2 几何模型的建立2 3 3 3 网格的划分2 5 3 3 1 网格的设置2 5 3 3 2 网格的检查2 6 3 4 求解器设置2 7 3 4 1 边界条件2 7 3 4 2 数学模型及计算方法2 8 i v 3 5 迭代次数的选择2 8 3 6 计算成本2 9 3 7 本章小结2 9 第4 章气道模拟仿真结果与分析3 0 4 1 气道方案及截面的选择3 0 4 2 不同湍流模型3 l 4 3 最大升程时气道流场分析3 4 4 3 1 最大气门升程时气道速矢场的分析3 4 4 3 2 最大气门升程时气道速度等值线分布图3 5 4 3 3 气道截面a 的迹线图3 5 4 3 4 截面c 处的迹线图3 6 4 4 不同气门升程的比较3 7 4 4 1 不同气门升程时气道的速度图和速度等值线图3 7 4 4 2 截面a 处气道及缸内绝对压力图3 9 4 4 3 迹线分布图分析4 0 4 5 流量系数的获得4 l 4 6 改进前后模拟结果对比分析4 3 4 6 1 改变进气道与燃烧室角度4 3 4 6 2 改进后模拟结果的对比4 4 4 6 3 改进前后流量系数的对比4 8 4 7 本章小结4 9 第5 章全文总结及展望5 0 5 1 全文总结5 0 5 2 展望51 参考文献5 2 致 射5 5 硕士期间发表的论文5 6 v 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 内燃机从发明到现在已有百余年的历史了。由于内燃机结构简单、移动方 便、热效率高( 是当今热效率最高的热力发动机) 、比质量( 单位输出功率的 质量) 轻，因而被广泛应用于交通运输、工程机械、发电等领域，为人类的发 展作出了巨大的贡献【l j 。自1 9 世纪以来至今1 0 0 余年期间，汽车产业从无到有， 以惊人的速度发展。去年汽车全球产量超过六千万辆，预计到今年年底，全世 界汽车总量在1 0 亿辆以上a 我国汽车工业发展较晚，但是速度惊人，特别是最 近几年。2 0 0 0 年到2 0 0 5 年，我国汽车保有量增长率在1 5 左右。在2 0 1 0 年， 我国汽车产销量均超过1 8 0 0 万辆，一举成为全球最大的汽车市场，按照保守估 计，2 0 1 5 年2 0 2 0 年保有量分别达9 6 0 0 和1 4 5 0 0 万辆( 见图l 一1 ) 。汽车对于社 会生产、工业水平和人民生活的衣食住行等非常重要，也是我国的支柱产业之 一o 汽车工业的快速发展加快了社会的进步，提供了便利的交通环境等有利人 民生活的方面但同时也有许多不利的方面。其问题主要表现在能源和环境等方 面。 图1 1 我国汽车保有量( 含预测数据) 能源问题：世界经济在飞速发展，但能源却日益枯竭，特别是作为汽车燃 料的化石能源越来越少。当今社会汽车的迅猛增长，造成了我国对石油的需求 武汉理工大学硕士学位论文 急剧增长。相关部门做了专门的统计， 界第- - 2 - 0 3 。图1 。2 表明，从十八年前， 我国的石油消耗量仅低于美国，排在世 我国就从石油出口国变成石油进口国。 特别是两千年开始，我国石油进口量占总消耗量的4 0 ，已经超过国家公认的 警戒线，2 0 1 0 年全年我国共进口原油2 3 9 亿吨，同比增长1 7 5 。但是，我国 可供量难以满足如此巨大需求。石油问题像其它资源问题一样，给我们敲响了 警钟，同时也成为制约我国经济持续发展的主要因素之一。 单位：百万吨 图1 - 2 我国石油消费量( 含预测数据) 环境问题：随着汽车数量的急剧增加，汽车尾气正成为城市的主要环境污 染源，给人类健康造成了严重损害。汽车发动机的主要有害排放物为一氧化碳 ( c o ) 、未燃碳氢( h c ) 、微粒物( p m ) 和氮氧化合物( n o x ) 等。这些有 害排放物不仅直接危害人体健康，而且会对空气、水和土壤造成严重的污染。 其主要表现在形成光化学烟雾、酸雨、臭氧层减薄、臭氧浓度过高以及温室效 应。表1 1 为我国部分城市汽车发动机有害气体占总污染物的百分数【7 。8 1 。数据 表明我国治理城市汽车排放污染己迫在眉睫。 为了改善当前城市大气污染的严峻形势，全国各地制定了越来越严格的排 放法规。北京市从2 0 0 8 年3 月1 日起，分两个阶段执行国家第四阶段机动车排 放标准，其它地方也将逐步实施。 因此，提高我国内燃机效率，控制和降低有害污染物和c 0 2 排放量，开发 新能源及制定限制城市汽车保有量的相关政策和法规，对满足国家能源需求、 缓解城市交通拥堵和保护环境都具有十分重大的战略意义。 根据理论研究，混合气是否充分燃烧，对汽油机排放性能、经济性能及动 力性能都有决定性影响。所以，组织混合气的充分燃烧是改良汽油机性能的主 2 武汉理工大学硕士学位论文 要途径之一。湍流火焰传播的过程直接影响汽油机的燃烧过程，增加湍流强度 会极大的改善燃烧性能。气流在缸内的流动状态直接影响着湍流强度、混合气 表1 - 1 汽车尾气排放在城市污染中的比例 汽车尾气排放比例 城市 h cc o n o x 上海9 78 77 4 北京7 3 56 3 44 6 西安 9 8 66 9 7 重庆3 6 68 5 88 6 3 乌鲁木齐 8 8 7 4 8 5 青岛 2 07 0l o 成都7 06 2 4 5 天津 8 18 35 5 广州 8 4 12 5 7 形成的质量、火焰传播的速度【9 - 1 0 】。所以，进气对发动机缸内气流流动状态的影 响从而影响发动机缸内燃烧火焰的传播速度和燃烧的充分程度。这些方面都是 发动机性能好坏的重要参考因素，它们都直接影响发动机的动力性、经济性和 燃烧噪声。对发动机进气气流影响最重要的就是发动机进气道，它对缸内气体 流动状态具有决定性的影响。 要想设计出一个性能优良的发动机，进气道的设计是关键因素之一。进气 道好坏的重要标准就是进气道流动特性，它的基本定义为：进气道的流通能力 及其产生湍流等流动的能力。进气道气流流动状态最终直接影响发动机的经济 性、排放性以及动力性【1 1 1 。因此，发动机进气道的理论研究和实际工程的设计 成为发动机研究者的重要课题之一。 1 2 气道设计和气道流动理论研究 1 2 1 气道设计 排放法规的日益严格及能源危机的出现对内燃机的性能提出了更高的要 求。缸内混合气的质量好坏很大程度上决定发动机性能，而发动机进气特性直 接影响缸内混合气的形成、后续的燃烧及排放，因此，发动机气道的设计是整 3 武汉理工大学硕士学位论文 个内燃机设计的关键之一。 对于发动机来说，理想的换气过程是：充量系数大、换气干净和消耗于换 气所需的功小。为了达到上述目标必须：1 、使气道和气阀拥有尽可能大的流通 面积和尺寸。2 、气道造型应以流动阻力最小为原则。3 、在正气配时时应有适 当的气阀正时，它根据发动机的运行速度而改变。前两点可以降低进排气时的流 动阻力，从而有助于提高充量系数和降低换气功的消耗。第三点说明恰当的排 气阀开启时刻影响到换气功损失的大小；而合适的进气阀关闭使充量系数达到 最大。所以，进排气道研究至关重要。 进气道的传统设计是采用经验设计与稳流试验相结合的方法，利用木模或 石膏模在稳流试验台上不断试验和优化，确定气道的形状，根据气道形状设计二 维图纸，最终制造模具，用于生产。这一开发过程最大的弊端就是必须要有一 个原型样件作参考，这将大大制约缸盖设计工程师对发动机的全新设计。理想 的气道开发流程应为三维造型优化改进抽气试验一快速成型，气道的三维 造型设计模拟没有过多束缚，可根据相关的边界条件自由设计。设计更改时只 要根据实验数据，对不满足产品要求的数据进行调整，直至最终确定符合性能 的最佳气道形状，设计和制造周期大大缩短。 近几年，c f d 技术( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 的迅速发展使得其成功 地广泛应用于工程技术等各个领域，其在内燃机领域也逐步从探索研究过渡到 实用阶段。通过对内燃机进气流动的数值模拟，不仅可以获得进气道内各种流 场的分布( 速度场、温度场等) ，而且还可以模拟进气道、气门等的结构参数 ( 如气道倾角、气道安装位置、气门边缘角度等) 对进气流动特性的影响。模 拟结果可以实现充气效率和涡流、滚流特性等流动特性的预测，更重要的是得 出各结构参数与性能之间的定性关系，优化设计方案，从而为内燃机进、排气 道的优化设计提供理论参考。数值模拟方法优点突出，省时省力，且不受物理 模型的限制【1 2 。1 6 1 。但数值模拟技术并不能完全替代试验研究，它也有定的局 限性。其局限性主要体现在：第一，c f d 的研究存在较多的假设，其与实际情 况很难做到完全一致，一定程度上依赖于经验与技巧；第二，数值解法是一种 近似的插值计算方法，受模型的影响较大；第三，c f d 方法的误差可能会对计 算结果产生影响。在实际的应用中，我们应该注意两者的有机结合，发挥各自 的优势，并实现优势互补【1 7 】。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 气道流动特性的理论研究 进、排气道是发动机的重要部件之一，气道设计是否合理，气道内是否有 很强的湍流运动，对发动机的工作可靠性及性能等都有非常大的影响。随着对 发动机研究的逐步深入，人们越来越强烈地希望能够了解进气道内部气体流动 的详细情况。二十世纪九十年代计算机技术快速发展给流体流动数值模拟仿真 提供了很好的研究平台。总的来说，数值模拟技术和试验是目前进行内燃机气 道内气体流动研究的最有效的途径。 在气道中，对气体流动的试验研究方法有多种，主要包括：激光多普勒测 速法( l d a ) 、热线风速仪法( h w a ) 、热线探针法和气道稳流试验台法。其中，l d a 法是目前最先进的一种研究方法，但花费较高，并没有得到广泛的应用。气道 稳流试验台是目前国内外广泛采用并行之有效的办法。目前，国内外通常使用 气道试验方法有r i c a r d o 、a v l 、f e v 或s w r i 方法，不同的试验方法有不同的 特点，它们各有优势，在实际中可以根据研究侧重点而选用不同的试验方法【1 8 】。 总之，实验研究方法不仅可以验证模拟结果的准确性，而且还可以方便、准确 的为内燃机整个工作循环的模拟研究提供边界条件【1 9 j 。 换气过程中，进气量的大小和气体流动特性直接影响发动机混合气形成及 燃烧过程，甚至对喷雾过程也会产生重要影响，从而影响整机性能。内燃机缸 内的气体流动是通过进气道来组织的。气道和气缸内的气体流动是极其复杂的 湍流，进气过程气体流速变化较大。为了增加进气量，气道的流动阻力应尽可 能的小。气道流通特性评价指标主要有流量系数、涡流比、滚流比等。故，内 燃机气道的试验研究应围绕着这几个关键参数来展开。流量系数( 流过气门阀 座的实际空气流率与理论空气流率之比) 是反映进气量的关键因素，涡流比是 进气终了气缸中涡流的转速与发动机曲轴转速之比，它们分别表示气道的流体 通过能力和涡流强度 2 0 1 。 数值模拟技术是以c f d 软件为工具，对所研究的对象进行离散化分析研究。 常用的c f d 软件包括：k i v a 系列程序、p h o e n i c s 、f l u e n t 、f i r e 、s t a r - c d 、 c h a m 以及r p m t 2 1 - 2 2 等。这些商业软件的主要差异表现在网格技术、及模型的 完善程度上，对结果造成的误差也各不相同，故在条件允许的情况下，c f d 研 究需要试验来验证结果的可靠性。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 国内外进气道c f d 数值模拟的研究状况 c f d 是计算流体动力学的简称，它属于流体机械的一个分支。随着计算机 容量、运算速度的提高及数值计算方法的发展，c f d 在工程上得到了广泛的应 用。内燃机进气流动的多维数值模拟不仅可以预测进气道、气门、缸内的结构 参数对缸内气体流动特性的影响，而且还可以得到进气道和缸内流场的分布情 况；内燃机缸内c f d 的研究，主要是以研究缸内湍流的运动、喷雾特性、燃烧、 理想气体混合的化学反应机理等为目标的，还可以用于对内燃机性能进行预测 研究，为发动机的优化设计和性能改善提供参考，甚至可以代替部分试验，从 而可以大大降低研发成本，缩短研发周期，丰富内燃机的研究方式。 内燃机数值模拟研究最早出现于1 9 世纪4 0 年代，英国人d c l e r k 是内燃机 工作过程模拟研究的首创者。7 0 年代后期，出现了以美国的l o sa l a m o s 国家重 点实验室和英国的i m p e r i a lc o l l e g e 为杰出代表。他们在不断努力下，分别开发 出了至今仍广泛使用的k a 源程序代码和s t a r 软件。它们都是建立在理论 循环基础之上的，对工作过程计算实际上进行了很大的简化。随着计算机技术 和数值方法的飞速发展，内燃机数值模拟已经取得了长足的进步，经历了零维 模型、一维模型、准维模型和多维模型的发展历程，从最初的稳态数值模拟发 展到与实际情况更接近的瞬态数值模拟。后来，又陆续出现了k - 湍流模型、 r s m ( 雷诺应力模型) 、l e s ( 大涡模拟) 、d n s ( 直接数值模拟) 及喷雾的c d m 、 d d m 模型等；在数值方法方面出现了s i m p l e 算法、p i s o 算法和a l e 算法( 任 意拉格朗日一欧拉法) ；在网格技术方面，从最初的二维轴对称网格发展到如 今的三维非结构化网格和分块网格。随着人们对湍流、化学反应动力学、喷雾、 燃烧等机理的进一步掌握，数值模拟方法将会成为内燃机研究的一个重要工具。 目前，已经有成功运用c f d 技术预测发动机性能、进行发动机结构优化设计的 范例。 从1 9 8 0 年以来，随着计算机流体动力学软件在发动机中的使用越来越普遍， 国内外众多发动机研究者对评价气道方法、气道外形设计和气道改进做了系统 的理论研究和实际开发设计。特别是最近十年，计算机计算能力的极大提高和 缸内气流流动等气体理论的逐步深入，使发动机模拟仿真逐渐接近实际并逐渐 开始应用在实际开发设计之中。美国、英国、法国、德国等国在发动机模拟仿 真上做了很多研究，得到很好的研究成果。美国e n g i n es y s t e m i n gi n t e m a t i o n a l l a r 6 武汉理工大学硕士学位论文 的研究者使用f l u e n t 软件，用稳态模拟仿真了在不同气门升程状态下进气道 及缸内气流流动情况1 2 3 1 。虽然每一气门升程都要重新建模，但在建完一个气门 升程的模型后，其它模型可以在此基础上只改动气门位置，所以建模快速且误 差不大。c l e m s o n 大学的研究人员美国c a t e r p i l l a r 公司利用一般的稳流试验作为 边界条件，使用f i r e 软件模拟仿真了发动机两进气门时的气体刚内流动状态及 缸内黏度情况；日本丰田公司的j u n n - e h ik w a s h m a 等人 2 4 1 利用f i r e 软件，模拟 研究了两进气门柴油机不同直气道、螺旋气道组合的气流流动状态，并通过实 验进行了验证；j e u sb i n a j s t 2 5 j 等人利用s t a r - c d 软件模拟仿真了两进气门、并联、 不同涡流进气系统的气流流动状态，并用l e a 稳流试验对模拟仿真结果进行的 验证。 我国对进气道流动的模拟仿真是从二十世纪九十年代才开始的，是先学习 了西方国家的研究成果而逐渐引入与研究。最近几年，我国国内院校对进气道 三维数值模拟做了大量研究，并以此为题写成许多高水平的硕博论文，这说明 我国在进气道领域有了突破性发展。吉林大学的孙济美1 2 6 j 等人研究开发了一种 可以用于发动机进气道处气流流动状态模拟的滚流模型，并模拟仿真缸内的流 动状态，最后通过实验论证。经过实验对比，通过几次模拟仿真修改参数后， 模拟结果与实际情况非常接近。华中科技大学的杨玟等人暖7 铘j 通过对螺旋进气 道的三维流场进行数值模拟，并得到以下结论：螺旋气道中影响气道流量的重 要因素就是切向气流和螺旋气流流交汇产生能量耗散。武汉理工大学的刘雪洪 2 9 。3 0 l 等人研究了气道设计参数化的方法。数值模拟进气道，探讨了气道性能设 计的理论。北京理工大学的马朝臣等人【3 l 】使用s t a r - c d 数值模拟，得到4 9 1 q e 汽油机的进气流量系数，并与试验数据进行对比，并分析误差的产生原因，得 出以下结论：用数值模拟代替实验，得到的流量系数是可用的。清华大学的王 志等人以4 b t a a 机型气道为研究对象，使用f i r e 对气道稳流试验中气道一气 缸进行三维数值模拟。模拟结果表明，气道性能评价参数中的流量系数和气流 扭矩等流动计算结果与气道试验结果接近【3 2 】；通过分析，找出不合理的部位， 最后使用c a d c a m c f d 对进气道进行优化。结果表明，改进后的气道和发动 机匹配后，该柴油机的排放达到欧标准【3 3 1 。大连理工大学的白彗星【3 4 】使用 f l u e n t 对2 1 0 0 柴油机切向进气道进行数值模拟，分析流量系数和涡流比，并使 用a v l 边界条件进行试验验证，结果吻合。重庆大学的刘家利【3 5 】使用f l u e n t ， 对两进气门的进气道进行数值模拟仿真，并得到以下结论：通过不同气门升程 7 武汉理工大学硕士学位论文 下不同涡流比参数，这样可为实际设计提供参考。南京航空航天大学的顾雄飞【3 6 】 通过使用f l u e n t 数值模拟得到以下结论：结果显示气道三维模型的不合理部分， 通过一体化优化，得到优化后涡流比降低了百分之十二。吉林大学的王瑜芳p 7 l 利用f i r e 软件模拟出柴油机螺旋进气道的流量系数，并通过试验验证。 1 4 发动机的缸内气流运动 缸内气流运动对于提高火焰传播速率、减少局部区域燃烧恶化，适应稀燃 或层燃起着相当重要的作用。如对于型燃烧室的柴油机而言，在无初始涡流 的情况下，压缩后期产生的挤气流使缸内的流场复杂化，使得湍流度增大，它 可以促进燃烧过程中空气与未燃燃料的混合( 热混合作用) 。因此，弄清楚湍流形 成机理和掌握内燃机缸内空气运动对混合气形成和燃烧过程的影响和作用，对 于改善燃烧过程，从而改善发动机的燃油经济性和有害物的排放具有重要意义 3 s - 3 9 o 汽油机缸内最主要空气运动是滚流。滚流从产生到消失的整个过程都受结 构、运行工况及进气过程的流动等诸多因素的影响。因此，滚流的强弱直接影 响汽油机混合气的输运和燃烧速率。为了更全面的了解四气门对称布置的汽油 机缸内滚流的产生、发展变化过程，三维数值模拟是十分有效的研究方法。 发动机气缸内空气运动： ( 一) 涡流 涡流是在进气过程中形成的，其旋转中心与气缸轴线平行。主要是通过改 变进气道结构和进气道和气门的倾斜角度来产生这种形式的气流。在压缩后期， 由于气体之间的相互作用，造成一定的摩擦损耗及气体与缸壁的摩擦使得涡流 的分布趋向于平衡和稳定。从进气门关闭开始，角动量不断较少，在压缩上止 点初始角动量将仅剩原来的三分之一或四分之一。随着活塞的上行，大量混合 气被压入活塞顶面的凹坑内，此时，该凹坑内气体的切线速度增加。那是因为 压缩过程中产生的这种形式的气流( 挤流) 使得缸内湍流度增加。当其角动量 小于当地其它流体微元时，流体微元一般趋向于回到原位，且涡流的旋转平面 与活塞顶相平行，压缩行程涡流的旋转半径几乎不变。故刚性涡具有稳流作用， 对缸内湍流的影响不大。研究表明：进气过程所产生的涡流可以一直持续到燃 烧膨涨过程。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 二) 滚流 ( 1 ) 滚流的产生和发展 在进气过程中形成的绕气缸轴线垂直线旋转的有组织的空气旋流，称为滚 流或横轴涡流一种大尺度涡旋，滚流一般都是直迸气道形成它比较适应在四气 门汽油机上使用滚流在压缩过程中其动量衰减减少，并可保存到压缩行程的末 期。当活塞接近上止点时，大尺度的滚流将破裂成众多小尺度的涡，使得终燃 混合气的湍流度加强，有利于火焰的传播。滚流形成过程如图1 3 所示州。 图l - 3 滚流的产生和发展 ( 2 ) 滚流对汽油机的影响 滚流是一种比涡流更小尺度的旋流，它的旋转中心与气缸中心轴线方向垂 直。滚流在压缩上止点附近破碎为尺度更小的湍流，将进气能量转化为湍动能， 有利于改善终燃混合气的混合质量。滚流对汽油机的影响有： ( 1 ) 提高燃烧速度和燃烧稳定性 滚流越强，燃烧速度越快。高强度湍流可以降低混合气对点火能量的要求 增加了火焰前锋面积，故湍流可以提高燃烧速度和燃烧稳定性。而滚流越大， 它对汽油机性能的改善越明显。 ( 2 ) 提高稀燃能力 滚流有利于增大稀燃混合气的混合界限。混合气越稀，其燃烧的着火稳定 性差，火焰传播速度较慢。由于滚流在压缩行程后期仍保持较强的湍动能，有 利于加速火焰传播，扩大稀薄燃烧的着火界限。 ( 3 ) 提高废气再循环率 众所周知，滚流强度的增大有利于加速火焰传播。而当废气再循环率较高 时，燃烧速度较慢，燃烧稳定性较差，故可以在废气再循环率较大的情况下适 9 武汉理工大学硕士学位论文 当的增大滚流强度可以加快燃烧速度，提高燃烧稳定性。 ( 3 ) 影响滚流强度的因素 缸内滚流强度主要是由进气道结构决定的，不同结构的气道所产生的滚流 的强度相差很大，迸气道的结构参数包括进气道仰角、气道上下边缘的内外角、 出入口位置、及喉口截面面积和形状。浙江大学的裴普成和天津大学的刘书亮 等人研究了喉口截面面积和形状对对滚流的影响。研究表明：喉口截面面积 的适当加宽，有利于减小气门杆对气流的阻力，喉口上方的气体流通量加大， 因而有利于提高滚流强度而进气流量系数略有减小；喉口截面形状为上大下 小时，+ 可得到较强的滚流，但进气流量系数减小较多。由此我们可以看出，滚 流强度和流量系数总存在着矛盾。即为了提高滚流的增强必须牺牲部分进气流 量系数，这样就很难提高进气的综合性能指标。如何实现滚流强度和流量系数 之间的合理兼顾是未来内燃机进气道研究的重点。 湍流是指气缸中形成的无规则的气流运动，它是一种非定常气体流动。湍 流可以分为两大类，即同一种流体不同流速层之间产生的自由湍流和气流流过 固体表面时产生的壁面湍流，内燃机中的湍流形式主要是自由湍流，发动机的 湍流主要是自由湍流。其形成的形式很多，即可在进气的过程中产生，也可因 燃烧，还可在压缩过程中利用燃烧室形状产生。发动机中缸内湍流特性对混合 气的形成和后续的燃烧过程都有着重要影响。 压缩挤流，主要是在压缩行程后期依赖于燃烧室形状和活塞顶部特殊设计 而形成的挤气流。挤流受挤气面积和挤气间隙的影响很大。它有助于加强压缩 终点时的涡流和滚流的强度，对改善燃烧过程作用明显( 提高火焰传播速率) 。 当活塞向下运动时，燃烧室凹坑中的气体向外流出形成一种方向相反的逆挤 流。逆挤流有助于把燃油室凹坑内的较浓混合气或油膜导出，促进混合气的从 充分混合并把混合气带到火花塞周围，这种逆挤流大大的减低了未然h c 的排 放。 为了使发动机的各项性能达到最佳，必须综合考虑影响进气流动特性的多 个因素，设计合理的进气道，组织合理的气流运动。 需要指出的是：气道c a d c f d 分析是一个整体，需要综合考虑研究；并要 与缸内多维燃烧分析相结合，建立在实际发动机产品的大量测试和试验的基础 上，才能取得成功。而单纯研究气道c a d 或气道c a m 或气道c f d ( 不与缸内 燃烧结合) ，不能直接应用于指导排放研究。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 需要强调的是：对于内燃机内的c f d 研究应注意，流动和燃烧不可分；设 计与试验不可分；模拟与测试不可分。 1 5 本文研究内容 ， ( 1 ) 利用三维造型软件u g ，建立气道一气门一气缸实体模型。 ( 2 ) 利用f i r e ，建立包括气道一气门一气缸在内的计算域网格。 ( 3 ) 利用f i r e 对u g 建立好的计算模型划分网格，进行三维模拟计算。 计算出气道的流量系数，以及迸气流动的速度场、压力场和滚流迹线图三维模 拟结果。同时，通过不同湍流模型，兼顾计算成本与计算精度，优化计算方法。 ( 4 ) 比较不同湍流模型对模拟结果的影响。 ( 5 ) 燃烧室的角度和进气道弯曲程度可能对进气充量影响很大，故本文最 后在原机型的基础上，对原气道增加切向成分即直气道和改变燃烧室角度，对 比改进后两种结果的模拟仿真结果。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 数学模型 第2 章数学模型 2 1 1 控制方程 任何流动问题都必须满足由以下3 个守恒定律：质量守恒定律、动量守恒 定律和能量守恒定律1 4 1 l 。气体流动数学模型是由一组描述发动机中气体流动的 状态方程、守恒偏微分方程和湍流模型构成 4 2 4 3 】。 ( 1 ) 质量守恒方程： 图2 - 1 三维直角坐标系及微元体( 引自文献m ) 对于在笛卡儿坐标系中的微元体如图2 1 ，质量守恒方程可以用单位时间流 体质量的增加等于同一时间间隔内流入的净质量。式子表达式为： 望+ 亟型+ 旦丝+ 旦螋：0( 2 1 ) a t瓠 砂 砚 引入矢量符号：a i r ( a ) = a t a x + a a , a y + a t 昆 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 可写成： 百o f , + d i v ( p u ) = 0 ( 2 3 ) 在式( 2 1 ) 至( 2 3 ) 中，p 为密度；t 为时间；，、y 和则为在x 、y 和z 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 方向上速度矢量，的分量 ( 2 ) 动量守恒( n s 方程) 方程： 掣+ d i v ( p u 炉一罢+ 警+ 孕o y + 誓+ e 甜 以饿 亿 盟o t + d i v ( p v u ) = 一考+ 鲁+ 誓+ 誓+ c 挈+ d i v ( p w 炉一警+ 等+ 等+ 等+ c 式中，k 、和气等是微体表面上的粘性应力f 的不同分量； 微元体上的压力；e 、e 和e 是微体上的体力，若体力只是重力， 上，则只= 0 ，e = o ，e = 一p g 。 ( 2 4 a ) ( 2 4 b ) ( 2 4 c ) p 是流体 且z 轴向 式( 2 4 ) 的动量守恒方程是适用于任何类型流体。对于牛顿流体，粘性应 力f 与流体的变形率成正比例，有： k ；2 娑+ a d i v ( “)k 2 印西+ “j = 2 面0 u + 兄咖( ”) t = = 2 p a z f - 伲- + 触1 ，( “) 勺= = ( 暑+ 象) 吃= 吃= 毫+ = 勺刊笔+ 等 ( 2 5 ) 式中，是动力黏度，力是第二黏度，一般可取兄= 一2 3 。将式( 2 5 ) 代入 ( 2 4 ) ，得： 百o ( p u ) + d i v ( p u ”) = 挑( g r a d u ) 一鱼o x + 瓯 掣+ d i v ( m u ) 珈( 耐) 一考+ & 了a ( p w ) + 咖( p w ”) = d i v ( p g r a d w ) 一瓦o p + & ( 2 6 a ) ( 2 6 b ) ( 2 6 c ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中，g r a d o = i a o o x + j o o a y + k a o a z ，符号咒、鼠和& 是动量守恒 方程的广义源项，最= e + 足，& = e + ，瓯= e + 巳，而其中的是、和屯的 表达式如下： 。 & = 瓦