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江苏大学硕士学位论文 4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 摘要 防爆柴油机车的运输方式大大降低了井下工人的劳动强度，提高了矿产的开 采效益。但防爆柴油机上的防爆装置，加大了进排气阻力，使燃烧和排放恶化， 导致其动力性和经济性下降。利用仿真软件对防爆柴油机进行性能模拟，对于优 化防爆系统、提高防爆柴油机的性能有着重要意义，并且可以缩短研究周期、降 低研究成本，对防爆柴油机的设计和优化具有重要意义。 本文利用f l u e n t 软件对不同结构的进气防爆栅栏的内部流场进行了计算， 通过对结果的分析比较，对其结构进行了优化。结果表明长方管防爆栅栏中气体 流动的阻力小于短方管防爆栅栏中气体流动的阻力；斜方管防爆栅栏中气体流动 的阻力小于长方管防爆栅栏中气体流动的阻力。根据防爆栅栏防爆原理，设计了 波纹板式结构的防爆栅栏，并对其气体流动特性进行了分析。结果表明波纹板式 防爆栅栏是一种气流阻力小、不易阻塞、易清洗而且安全有效的防爆栅栏，它可 以取代矿井下防爆柴油机上常用的进气防爆栅栏。 本文以y z 4 1 0 5 防爆柴油机为研究对象，采用a v lb o o s t 软件对其建立了 一维整机模型，宏观上描述了整个发动机的热力学过程，通过改变压缩比、喷油 提前角和配气相位等参数，研究了这些参数对防爆柴油机性能的影响，并利用发 动机台架试验进行了验证。研究表明选择适当的压缩比、喷油提前角和配气相位 可改善防爆柴油机的缸内燃烧，提高动力性和经济性。 关键词：柴油机，数值模拟，f l u e n t ，流场 江苏丈学硕士学位论文4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 a b s t r a c t t h et r a n s p o r ts t y l eo fe x p l o s i o n - p r o o fd i e s e le n g i n el o c o m o t i v e sr e s o l v e st h e p r o b l e mo fa u x i l i a r yt r a n s p o r ti nt h em i n e ，r e d u c e st h el a b o ri n t e n s i t yo f w o r k e r sa n d i n c r e a s e st h eb e n e f i to fm i n i n g h o w e v e r , t h ee x p l o s i o n - p r o o fe q u i p m e n t so f e x p l o s i o n - p r o o fd i e s e le n g i n eb l o c kt h ea i rf l o wo fi n t a k ea n do u t l e t , d e t e r i o r a t et h e c o m b u s t i o na n de m i s s i o na n dr e d u c et h ed y n a m i c sa n df u e le c o n o m yo fe n g i n e t h e s o f t w a r eu s e dt os i m u l a t ep e r f o r m a n c eo fe x p l o s i o n - p r o o fd i e s e le n g i n ec a nr e d u c e t h ep e r i o d sa n dc o s to fr e s e a r c h i ti sm a k es e n s et od i e s e le n g i n ed e s i g na n d o p t i m i z a t i o n t h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o ni sp e r f o r m e dw i t hf l u e n t , a n dt h eh y d r o k i n e t i e s m o d e lo fi n t a k ee x p l o s i o n - p r o o fb a r r i e ri se s t a b l i s h e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea i r f l o wr e s i s t a n c eo ft h ee x p l o s i o n - p r o o fb a r r i e rw i t hs k e ws q u a r ep i p ei sl e s st h a nt h e e x p l o s i o n p r o o fb a r r i e rw i t hs h o r t o rl o n gs q u a r ep i p e ；a n dt h ec r i m p e d - r i b b o n e x p l o s i o n p r o o fb a r r i e rh a sl o w e ra i rf l o wr e s i s t a n c e ，a n de a s yt oc l e a n o u t i ti ss o 8 a v et oi n s t e a do ft h ei n l e te x p l o s i o n - p r o o fb a r r i e r t h i s p a p e r h a sar e s e a r c ho ny z 4 1 0 5 e x p l o s i o n - p r o o f d i e s e l e n g i n e o n e d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o ni sp c f f o r r n e dw i ma v lb o o s t , a n dt h et h e r m o d y n a m i c s i sd e s c r i b e dm a c r o s c o p i c a l l y t h ec o r r e c t n e s so ft h ee n g i n em o d e li sp m v e db yt e s t o nt h eb a s eo ft h ee n g i n em o d e l ，p e r f o r m a n c es i m u l a t i o ni sc a r d e do u tw i t hc h a n g e d c o m p r e s s i o nr a t i o ，i g n i t i o n a d v a n c ea n g l ea n dv a l v et i m i n g i ti sf o u n dt h a t a p p r o p r i a t ec o m p r e s s i o nr a t i o ，i g n i t i o na d v a n c ea n g l ea n dv a l v et i m i n gg a l li m p r o v e c o m b u s t i o na n di n c r e a s ed y n a m i c sa n df u e le c o n o m yo ft h ee n g i n e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f l u e n t , h o wf i e l d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 2 0 0 7 年妒研日 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囤。 将教师繇氛 2 0 0 7 年3 - 月站日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：王诺 日期：2 0 0 7 年妒加 江苏大学硕t 学位论文4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能顶测 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 随着我国煤矿开采量的增加，采用防爆柴油机代替电动机作为装载车的驱动 装置，可以使车辆在井下进行长距离运输，避免了拖带电缆，提高了车辆的机动 性能，大大降低了矿井下工人的劳动强度，提高了矿产开采的效率，可以改善我 国井下辅助运输设备落后的状况【1 1 。 国外将柴油机牵引车用于井下的研究始于上个世纪的4 0 年代，近几十年来， 国外许多矿井已逐步采用以柴油机为动力的内燃机车【2 1 。统计资料表明，井下使 用柴油机牵引车的比例在西方国家早已超过了5 0 。经过最近2 0 年的发展，柴 油机牵引车使用比例及技术都得到了进一步的提高，目前已发展了初步完善的各 系列不同功率的防爆柴油机 3 1 。在德国和英国等国家，矿井下的辅助运输设备大 多使用防爆柴油机。 我国研制防爆柴油机已有2 0 多年的历史，相继研制成功了功率范围覆盖 1 5 k w 至1 8 0 k w 的系列防爆柴油机，但受各种因素制约，未形成批量生产【4 】。目 前，国内所使用的防爆发动机大都是由已有的柴油机改装而成的，其进排气系统 结构示意图如图1 - 1 所示 5 1 。进气系统由进气管、进气防爆栅栏、空气关断风门 及空气滤清器所组成。其中，进气防爆栅栏是为了防止柴油机气缸内可能返回的 火焰直接通向大气，火焰经防爆栅栏熄灭，不至引燃工作环境中的易燃气体；空 气关断风门是为紧急停车而设置的，在柴油机发生故障时关断空气风门，柴油机 可迅速停止运转。排气系统由水夹层排气管、废气处理箱和防爆栅栏等组成，水 夹层排气管夹层中的水与柴油机冷却系统连通形成封闭强制冷却，确保排气管外 表面的最高温度不超过1 5 0 ；废气处理箱使废气在箱内上下绕流，起到了进一 步降低排气温度、过滤炭烟及部分有害气体的作用，经过处理的废气由废气处理 箱的出口经防爆栅栏通向大气。冷却系统由水泵、水管、散热水箱及风扇等组成， 作用是维持柴油机在适宜的温度下工作。防爆栅栏和废气后处理等辅助措施大大 增加了进排气阻力，使燃烧和排放恶化，导致柴油机的动力性和经济性下降i 叫。 江苏大学硕七学位论文 4 】0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机件能预测 避气管 l 迸气防辫横遂 l 蓁 空气关凝网1 院 l 空气潦漆器 l l 柴油钒 i fll l 强讫昀承冷农夹层撑气管 i 蠲循蟒系统 l 废气处理籍 l 撵a 防爆糖蹙 图 幽1 - 1 防爆柴油结构示意图 f i g 1 1t h es t r u c t u r eo fe x p l o s i o n - p r o o f d i e s e le n g i n e 随着计算机技术的高速发展和计算流体力学、计算传热学和化学动力学等理 论的不断成熟，利用相关软件建立合理的内燃机工作模型，内燃机的工作过程数 值模拟不仅可以预测所设计内燃机的初步性能，进行多方案的比较，以期获得最 佳的设计方案，而且也可以对结构参数与运行参数进行优化，对内燃机的寿命和 可靠性进行预测，以减少试验的工作最，缩短内燃机的设计周期，节省开发研究 费用1 1 啦! 9 1 。 因此，对防爆系统进行优化，建立防爆柴油机的工作模型进行数值模拟计算， 对于了解和优化防爆柴油机的性能，加强国产防爆柴油机的设计和研发有着重要 江苏大学硕士学位论文4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 的意义。 1 2 本文的主要研究内容 本文利用f l u e n t 和b o o s t 等软件对4 1 0 5 防爆柴油机的进排气防爆系统 以及整机工作过程进行数值模拟计算，提出优化方案，具体如下： ( 1 )对4 1 0 5 柴油机及4 1 0 5 防爆柴油机进行台架试验，绘制外特性和万 有特性曲线，比较分析性能差异。 ( 2 )用p r o e 软件建立几种进气防爆栅栏结构的三维模型；用g a m b i t 软件建立防爆栅栏的三维网格，并选择合适的边界条件；用f l u e n t 软件对防 爆栅栏进行三维流场模拟，比较几种防爆栅栏结构，选择最优结构。 ( 3 ) 用b o o s t 软件建立防爆柴油机的整机热力学模型，宏观的分析整 个内燃机的热力学过程，比较防爆柴油机和原机的性能，分析导致内燃机性能差 别的原因，通过改变压缩比、喷油提前角和配气相位等参数，研究防爆柴油机性 能的影响因素，利用试验进行验证。 江苏大学硕e 学位论文 4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栌优化及整机性能预测 第2 章4 1 0 5 防爆柴油机的试验研究 2 1 发动机台架试验系统构成 表2 1 给出了4 1 0 5 柴油机的主要设计参数。 表2 一ly z a l 0 5 柴油机的主要设计参数 t a b 2 - 1p r i m a r yd e s i g np a r a m e t e r so fy z 4 1 0 5 d i e s e le n g i n e 柴油机型式立式直列水冷四行程 燃烧室型式 直喷型 进气方式自然吸气 气缸直径( n u n )1 0 5 活塞行程( m m )1 1 8 压缩比1 7 5 标定功率( k w ) 7 5 标定转速( r m i n ) 3 2 0 0 最大扭矩( n m )2 6 0 最大扭矩转速( r m i n ) 2 0 0 0 外特性最低燃油耗( g ，k w h ) 1 2 2 8 图2 - 1 给出了4 1 0 5 柴油机性能试验的示意图。图2 - 2 为4 1 0 5 防爆柴油机性 能试验现场。 图2 - 1 台架试验装置示意图 f i g 2 - 1s k e t c h 雠a po f t h ed i e s e lt e s tb e de x p e r i m e n t 4 江苏大学硕e 学位论文4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 图2 - 24 1 0 5 防爆柴油机台架试验现场 f i g 2 - 2t e s t e de x p e r i m e n tf o r4 1 0 5d i e s e le n g i n ew i t he x p l o s i o np r o o f 2 2 试验条件及方法 本课题对改装后的4 1 0 5 柴油机分别进行以下四种情况的台架试验： ( 1 ) 进、排气管均加装防爆栅栏； ( 2 ) 进气管加装防爆栅栏，排气管不装防爆栅栏； ( 3 ) 进气管不装防爆栅栏，排气管加装防爆栅栏； ( 4 ) 进排气管均不装防爆栅栏。 根据以上的试验条件，油门全开，在发动机工作转速范围内，依次改变转速， 分别进行测量柴油机的进气状态、转速、扭矩、燃油消耗量以及功率。 2 3 试验结果分析 2 3 1 柴油机外特性曲线比较分析 图2 - 3 给出了柴油机在四种试验条件下的外特性对比图。从图中可以看出， 装了防爆栅栏的柴油机性能比没有装防爆栅栏的柴油机性能差，与排气管单独安 江苏大学硕l 学位论文4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 装防爆栅栏时的性能相比，当进气管单独安装防爆栅栏时，柴油机的功率和转矩 较小，而燃油消耗率则较大。从图中还可以看出，当进、排气管均装有防爆栅栏 时发动机的最大扭矩为2 4 1 3 3 n m ，对应转速为2 0 0 0 r m i n ；最大功率为6 0 9 6 k w ， 对应转速为3 0 0 0 r m i n ：最低油耗为2 4 1 9 k w h 。当进气管装有防爆栅栏而排气管 不装防爆栅栏时发动机的最大扭矩为2 4 6 3 1 n m ，对应转速为2 0 0 0 r m i a ；最大功 率为6 1 6 9 k w ，对应转速为3 0 0 0 r m i n ；最低油耗为2 3 7 s 9 9 k w h 。当进气管不装 防爆栅栏而排气管装防爆栅栏时发动机的最大扭矩为2 4 2 7 n m ，对应转速为 2 0 ( ) 0 f m i m 最大功率为6 1 5 6 k w ，对应转速为3 0 0 0 r m i n ：最低油耗为2 3 3 9 k w h 。 进、排气管均不装防爆栅栏时发动机最大扭矩为2 4 7 6 7 n m ，对应转速为 2 0 0 0 r m i n m ：最大功率为6 2 7 7 k w ，对应转速为3 0 0 0 r m i a ；最低油耗为 2 3 1 6 k w h 。 宝 簟 r 肆 蚕 转速a l ( r l m i n ) 图2 - 3 柴油机外特性比较图 f i g 2 - 3t h ec o n t r a s to fd i e s e le n g i n ep e r f o r m a n c e 外特性结果表明，没有安装防爆栅栏的柴油机的动力性和经济性好于安装了 防爆栅栏的柴油机；柴油机进气防爆栅栏对柴油机动力性和经济性的影响大于排 气防爆栅栏对其所造成的影响，所以对进气栅栏和防爆柴油机的性能参数进行优 化研究足有必要的。 江苏大学硕| t 学位论文 4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 2 3 2 柴油机万有特性曲线比较分析 图2 - 4 给出了进、排气管均不装防爆栅栏时柴油机的万有特性曲线。图2 - 5 给出了进、排气管均安装防爆栅栏时柴油机的万有特性曲线。由图中可以看出， 在燃油消耗率相同的情况下，发动机处在部分负荷运行时，无防爆栅栏柴油机比 有防爆栅栏柴油机的经济运行范围更广，这体现在发动机从低速到高速的整个区 间，因此无防爆栅栏柴油机的经济性好于有防爆栅栏柴油机的经济性。同样从图 中也可以看到，在燃油消耗率与转速相同的情况下，无防爆栅栏柴油机比有防爆 栅栏柴油机在纵轴方向所对应的功率和转矩值要大，因此无防爆栅栏柴油机动力 性也好于有防爆栅栏柴油机的动力性。 图2 _ 4 无防爆栅栏柴油机万有特性曲线 f i g 2 - 4u n i v e r s a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fd i e s e le n g i n ew i t hn oe x p l o s i o n p r o o f b a r r i e r 江苏大学硕t 学位论文 4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 图2 - 5 有防爆栅栏柴油机万有特性曲线 f i g 2 - - 5u n i v e r s a lc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fd i e s e le n g i n ew i t he x p l o s i o n p r o o f b a r r i e r 2 4 本章小结 本章根据柴油机的台架试验结果，绘制了改装前后柴油的外特性曲线和万有 特性曲线图，通过对曲线的分析比较，得出以下结论： ( 1 ) 通过外特性曲线可知，没有安装防爆栅栏的柴油机的动力性和经济性 好于安装了防爆栅栏的柴油机：柴油机迸气防爆栅栏对柴油机动力性和经济性的 影响大于排气防爆栅栏对其所造成的影响 ( 2 ) 通过万有特性曲线可知，在燃油消耗率相同的情况下，发动机处在部 分负荷运行时，无防爆栅栏柴油机比有防爆栅栏柴油机的经济运行范围更广，这 体现在发动机从低速到高速的整个区间，因此无防爆栅栏柴油机的经济性好于有 防爆栅栏柴油机的经济性。同样从图中也可以看到，在燃油消耗率与转速相同的 情况下，无防爆栅栏柴油机比有防爆栅栏柴油机在纵轴方向所对应的功率和转矩 值要大，因此无防爆栅栏柴油机动力性也好于有防爆栅栏柴油机的动力性。 因此，在不改变柴油机防爆性能的条件下，提高动力性和经济性对增强防爆 柴油机的行驶和装载能力有着重要意义 8 江苏大学硕士学位论文4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 第3 章防爆柴油机进气栅栏结构优化 防爆柴油机在进气和排气部分均装有防爆栅栏，是防爆柴油机不可缺少的组 件之一，但正是由于它的存在使得进、排气恶化，降低了柴油机的动力性和经济 性。由上一章可知，进气防爆栅栏比排气防爆栅栏对柴油机性能的影响大，因此， 本章借助f l u e n t 软件对进气防爆栅栏进行分析和研究，并对防爆栅栏的结构 进行优化。 3 1 c f d 软件f l u e n t 简介 f l u e n t 是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问 题的专用软件 2 0 1 。f l u e n t 提供了灵活的网格特性，用户可方便的使用结构和 非结构网格对各种复杂区域进行网格划分【2 1 - 2 3 1 。f l u e n t 还允许用户根据求解 规模、精度及效率等因素，对网格进行整体或局部的细化，对于具有较大梯度的 流动区域，可利用f l u e n t 提供的自适应特性，局部细化网格，提高流场分布 的计算精度 2 4 - 2 7 。 3 1 1f l u e n t 软件构成 f l u e n t 本身提供的主要功能包括导入网格模型、提供计算的物理模型、施 加边界条件和特性、求解和后处理。f l u e n t 支持的网格生成软件包括g a m b i t 、 t g d d 、p r e p d f 、g e o m e s h 及其他c a d c a e 软件包。 g a m b i t 、t g r i d 、p r e p d f 、g e o m e s h 与f l u e n t 有着极好的相容性。t g f i d 可提供2 1 3 三角形网格、3 d 四面体网格、2 d 和3 d 混合网格等。g a m b i t 可生 成供f l u e n t 直接使用的网格模型，也可将生成的网格导入到t g r i d ，由t g m 进一步处理后再导入到f l u e n t 。p r e p d f 和g e o m e s h 是f l u e n t 在引入 g a m b i t 之前所使用的前处理器，现p r e p d f 主要用于对某些燃烧问题进行建模， g e o m e s h 已基本被g a m b i t 取代。而f l u e n t 提供了各类c a d c a e 软件包与 g a m b r r 的接口。其结构如图3 1 所示。 - 9 江苏大学硕士学位论文 4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 图3 - 1f l u e n t 基本程序结构示意图 f i g 3 - 1t h es k e t c hm a po ff l u e n t 3 1 2f l u e n t 适用对象 f l u e n t 广泛用于航空、汽车、透平机械、水利、电子、发电、建筑设计、 材料加工、加工设备、环境保护等领域，其主要的模拟能力包括： 夺用于非结构自适应网格求解2 d 或3 d 区域内的流动； 夺不可压或可压流动； 稳态分析或瞬态分析； 夺无粘、层流和湍流； 夺牛顿流体或非牛顿流体； 夺热、质瞳、动量、湍流和化学组分的体积源项模型； 夺各种形式的热交换，如自然对流、强迫对流和混合对流等： 夺惯性( 静止) 坐标系和非惯性( 旋转) 坐标系模型： 夺多重运动参考系，如滑动网格界面、转予与定子相互作用的结合模型； 夺化学组分的混合与反应模型，包括燃烧子模氆和表面沉积反应模型： 粒子、水滴、气泡等离散相的运动轨迹计算，与连续相的耦合计算； 夺相变模型，如熔化或凝固； 江苏大学硕上学位论文4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 3 1 - $ f l u e n t 求解步骤 利用f l u e n t 求解的步骤如下： 图3 - 2f l u e n t 求解步骤 f i g 3 - 2t h es o l u t i o np r o c e s so ff l u e n t 3 1 4 网格的生成 网格是c f d 模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。网格质量对c f d 计算精度和计算效率有重要的影响。对于复杂的c f d 问题，网格生成极为耗时， 且容易出错，生成网格所需时问常常大于实际c f d 计算的时自j 。 3 1 4 1 网格单元的分类 单元( c e l l ) 是构成网格的基本元素。在结构网格中，常用的2 d 网格单元 是四边形单元，3 d 网格单元是六面体单元。而在非结构网格中，常用的2 d 网 江苏大学硕l 学位论文4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 格单元还有三角形单元，3 d 网格单元还有四面体和五面体单元，其中五面体单 元还可分为棱锥形( 或楔形) 和金字塔形单元等。图3 3 给出了常用的网格单元。 常用的网格单元。 四西俸六面体五猫体( 棱镫)五蕊体( 盒字塔) 图3 - 3f l u e n t 常用的网格单元 f i g 3 - 3t h eg r i dc e l lo ff l u e n t 3 1 4 z 生成网格的过程 结构网格和非结构网格的生成过程： ( 1 ) 建立几何模型。几何模型是网格和边界的载体。 ( 2 ) 划分网格。在所生成的几何模型上应用特定的网格类型、网格单元和 网格密度对面或体进行划分，获得网格。 ( 3 ) 指定边界区域。为模型的每个区域指定名称和类型，为后续给定模型 的物理属性、边界条件和仞始条件做好准备。 3 1 5 湍流模型 f l u e n t 常用的湍流模型包括s p a l a r t a l l m a r a s 模型，标准、r n g 和 r e a l i z a b l ek s 模型，标准和s s tk 一甜模型，雷诺兹压力模型，大型艾迪仿真 模型等等。本文的模拟计算所选用的足标准k s 湍流模型。标准k s 湍流模型 是典型的两方程模型，是目前使用较广泛的湍流模型。 1 2 口嚣回目一目 全撇锣 江苏大学硕士学位论文 4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 3 1 6 标准七一f 湍流模型 标准k f 模型是个半经验公式，主要是以湍流动能和湍流耗散率为基础。 七方程为湍流动能方程，是个精确方程；方程为湍流耗散率方程，是由经验公 式导出的方程。 七一s 模型假定流场完全是湍流，各分流之问的粘性可以忽略。因而标准 七一p 模型只对完全是湍流的流场有效。 湍流动能方程七如下： 昙c 卅毒c 砌沪毒等 讣g 睁胆小墨 - ， 湍流耗散率方程f 如下： 妄c 伊，+ 毒c = 考 ( + 等 考 + q 量( g k + c 3 , g b ) - c 2 , p 譬+ 疋c s 彩 g 。为由于平均速度梯度引起的湍动能七的项5 k 为可压缩湍流中脉动扩张的贡献； c l 。，c 2 。，c 3 。为经验常数； 吒和吒分别为与湍动能七和耗散率占对应的湍流p r a n d t l 数。 s 。m s 。由用户定义的源项； “为湍动粘度，可表示成k 和s 的函数，即： 以：以譬 ( 3 _ 3 ) 标准七一占模型中的常数见表3 - 1 。 t a b 3 - 1t h ec o e f f i c i e n ti ns t a n d a r d 七一占t u r b u l e n c em o d e l q乞c n吒吒 1 4 41 9 2o 0 91 01 3 江苏大学硕士学位论文4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 3 1 5 1 标准k f 湍流模型的控制方程 采用标准七一s 湍流模型求解流动及换热问题时，控制方程包括连续性方程、 动量方程、能量方程、k 方程、f 方程与式( 3 - 3 ) 。若不考虑热交换的单纯流 场计算问题，则不需要包含能量方程。若考虑传质或有化学变化的情况，则应再 加入组分方程。这些方程都可以表示成如下的通用形式： 掣+ 掣+ 学+ 掣= 昙叮等+ 品c r 等+ 昙叮笋+ s ( 3 - 4 ) 西缸 勿 出苏、融7 却、却7 瑟、瑟。 表3 2 给出了在三维直角坐标系下，与通用形式( 3 - 4 ) 所对应的标准k s 湍 流模型的控制方程。 表3 - 2 与式( 3 - 4 ) 对应的k s 模型控制方程 t a b 3 - 2t h ek 一占m o d e lc o n t r o le q u a t i o nc o r r e s p o n d i n 9 1 y ( 3 方程 西 扩散系数r源项s 连续方程l0o | l 面。p 4 - # l t 一瓦o p t 0 坳寻o u + 昙( 砌罢) + 瓦0 面o w ) + 瓯 膏动量方程 “ p 。p4 - p l 一万c 3 p + 瓦o 蚴一矿o u , + 号( 砌雾) + 云0 【吻万o w ) + 墨 j ，- 动最方程 v p 硪_ 弘p t 一老+ 昙( 吻参+ 导( 吻) + 瓦0t 吻i o w ) + & z 动量方程 w 湍动能方程 量+ 丝 g k + p o k 耗散率方程 s“+ 丝 孚( c l 。g + c 2 。声) 吒 七 能量方程 r 坐丝 s 按实际问题而定 e 吩 江苏大学硕十学位论文4 1 0 5 防爆柴油机进气据栏优化及整机性能预测 3 1 6 边界条件 所谓边界条件，是指在求解的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时 间变化的规律。只有给定了合理的边界条件的问题，才可能计算得出流场的解。 因此，边界条件是使c f d 问题有定解的必要条件。 f l u e n t 中基本的边界条件包括： 夺流动进口边界； 夺流动出口边界； 夺给定压力边界； 夺壁面边界； 夺对称边界； 夺周期性( 循环) 边界。 3 1 6 1 进口边界条件 本文定义的进口边界条件为压力进口。压力进口用来定义流动进口边界的总 压( 总能量) 和其它标量( 如温度) ，即进口边界上总压等标量型变量是固定的。 3 1 6 2 出口边界条件 本文涉及的出口边界条件为压力出口。压力出口用于定义流动出口的静压， 当有回流时，其有较好的收敛速度。 3 1 6 3 壁面边界 壁面边界用于限定流体和固体区域。在本文中，壁面设为粘性流动中默认的 无滑移边界条件。 3 2 平行板式进气栅栏结构研究及优化 3 2 1 防爆原理 本课题所使用的短方管防爆栅栏是乎行板夹缝装置，它属于阻火器的一种。 阻火器的工作原理依赖于火焰在狭缝中传播时熄灭现象的研究。火焰以速度v 在狭缝或狭小的通道中传播时，如果狭缝的间距或通道的直径足够小，那么火焰 在其中传播一段距离后会自动熄灭，称为淬熄；能使火焰发生淬熄的狭缝间距或 】5 江苏大学硕l 学位论文 4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 通道直径存在一个上限值d ，称为为淬熄直径；火焰进入狭缝运动一定长度l 后， 才能完全熄灭，这一长度称为淬熄长度幽捌。火焰淬熄示意图如图3 - 4 所示。火 焰速度v 与淬熄直径d ( 即平行板狭缝间距) 以及淬熄长度l 之间存在如下关系 【3 0 l ： = 鬻驴 仔s ， 8 1 8 4 4 。y 其中：p r 为p r a n d t l 常数； v 为平行板狭缝中热气流的运动粘性系数； v 0 为燃烧速度： a 依赖于火焰绝热燃烧温度、火焰淬熄温度和平行板壁面温度。 v 赢登区f 、h 。 l v l t 图3 4 火焰淬熄示意图 f i g 3 - 4t h es t r u c t u r eo ff l a m ee x t i n g u i s h 由式( 3 5 ) 可看出，d 越小淬熄长度l 越短，越容易使火焰淬熄，但d 过 小或l 过大的通道都会带来较大的气流阻力。因此，将d 和l 控制在合理范围内 可获得较小流阻而能有效阻火的高效能阻火器。由式( 3 5 ) 还可看出，平行板 狭缝装置对传播火焰的淬熄能力还取决于爆燃火焰传播速度v ，火焰传播速度越 大，则火焰淬熄距离越长。冷壁效应所造成的能量损失是火焰在狭缝中淬熄的主 要原因p 1 1 。根据课题的具体情况和相关规定，本文的防爆栅栏由厚度为1 5 m 、 长l 为5 3 r a m 、宽为2 3 0 n m n 的不锈钢板制成，板间距离d 为0 5 m m 。 3 2 2 短方管防爆栅栏 短方管防爆栅栏的进、出口方管由栅栏连接，进排气方管长度均为2 0 咖， 栅栏间隙为0 5 舢。图3 5 给出了防爆栅栏的平面图和空间结构。用g a m b i t 软 江苏大学硕士：学位论文 4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 件对三维模型进行四面体的网格划分( 其步长为4 ) ，入口端面设定为压力进口 边界，出口端面设定为压力出口边界，其它均为壁面边界，其内部网格如图3 - 6 所示。 图3 - 5 防爆栅栏结构图 f i g 3 - 5t h es t r u c t u r eo fe x p l o s i o n - p r o o fb a r r i e r 图3 石防爆栅栏内部网格 f i g 3 - 6t h eg r i do fe x p l o s i o n - p r o o fb a r r i e r 图3 7 为防爆栅栏内部流场压力云图。由图可以看出，栅栏内部的最高压力 为1 0 1 1 0 5 p a ，位于栅栏进气一侧的中间部分( 图中红色区域) ，这是由于栅栏 壁面阻挡了部分气体的流动而形成的。气流从进气方管流入栅栏时，由于流通面 积变小，从而在进气侧又形成了部分的亚高压带( 压力范围：9 9 5 1 0 5 p a 1 0 0 1 0 5p a ) ，该区域的商压带与栅栏排气方管中间的低压带形成较大压差，一定程 度上加快了气体的流动速度。在进气方管两侧有明显的低压带，这足由于栅栏入 江苏大学硕士学位论文4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 口段与进气方管连接处的结构突变而形成的。 图3 7 防爆栅栏内部压力云图 f i g 3 - 7t h ep r e s s u r ec o n t o u ri ne x p l o s i o n - p r o o fb a r r i e r 图3 - 8 给出了栅栏内部气流速度分布图。结合图3 7 可以看出，由于进排气 方管中间部分存在较大的压差，所以气流在栅栏的中部流速较快。而由于空间突 变的影响，在进气管两侧形成了较强烈的涡流( 图中矩形框区域) ，从而使周侧 栅栏进气端的气压明显降低，减小了栅栏两侧的压差，导致周侧栅栏内部的气体 流速远小于中间部位栅栏内部气流速度，一定程度上减小了栅栏几何流通面积的 利用率，降低了栅栏的气体通过能力。 图3 - 8 ( a ) 防爆栅栏内部速度矢量图 f i g 3 - 8 ( a ) t h ev e l o c i t yi ne x p l o s i o n - p r o o fb a r r i e r 江苏大学硕士学位论文 4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 图3 8 ( b ) 速度矢量局部放大图 f i g 3 - 8 ( b ) t h ep a r t i a le n l a r g e do fv e l o c i t yi ne x p l o s i o n p r o o fb a r r i e r 图3 - 9 给出了防爆栅栏内部的湍流动能分布。由图可以看出短方管防爆栅栏 内的最大湍流动能值为7 3 0 m 2 s 2 ，出现在中间部位的栅栏进口处，这是因为中间 部位栅栏两端的压差稳定，气流速度较大；在栅栏出口端的短方管周边及短方管 与圆管接口处出现强烈的涡流，湍流动能达到了4 3 8m 2 s 2 ，增加了气体流动损 失。 73 1 e + 0 1 y ；7 4 6 7 e o _ o + 0 1 1 x 一 图3 - 9 湍动能分布图 f i g 3 - 9t h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yi ne x p l o s i o n p r o o fb a r r i e r 江苏大学硕t 学位论文4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 由此可见，短方管防爆栅栏内部的气体流动并不均匀，空间突变引起了管内 压力的大幅变化，导致不能在栅栏两端形成较为稳定的压差，加大了气体的流动 阻力。 3 2 3 长方管防爆栅栏 为了改善方管的内部压力分布，提高气体流动的均匀性，作者将进排气方管 长度由原来的2 0 m m 增加到了5 0 i n m 。图3 1 0 和图3 1 1 为长方管栅栏的空间结 构和内部网格图。 图3 1 0 长方管栅栏空间结构图3 1 1 长方管栅栏内部网格 f i g 3 - l ot h es t r u c t u r eo fe x p l o s i o nf i g 3 - l lt h eg r i do fe x p l o s i o n - p r o o f p r o o fb a r r i e rw i t hl o n gs q u a r ep i p e b a r r i e rw i t hl o n gs q u a r ep i p e 图3 1 2 给出了长方管栅栏内部压力分布。对比图3 7 可以看出，长方管栅 栏内部最高压力为1 0 1 1 0 5 p a ，高于短方管栅栏内部的最高压力；亚高压带( 压 力范围：9 8 2 1 0 5p a u l 0 0 1 0 5p a ) 的范围也有所扩大，说明气体流动的均匀 性有所提高；进气方管周侧依然存在低压带，但压力范围由9 3 7 x1 0 4p a 9 5 2 i 0 4 p a 升到了9 5 6x 1 0 4 p a 曲6 5 1 0 4 p a ，说明两侧的气体流动阻力减小。结 合图3 7 还可以看出，长方管栅栏内部的等压线比短方管内部的等压线平滑，进 气端和排气端的压差较均匀，这说明长方管有较好的稳压作用。 江苏大学硕士学位论文 4 1 0 5 防埠柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 图3 - 1 2长方管栅栏压力云图 f i g 3 - 1 2t h ep r e s s u r ec o n t o u ri ne x p l o s i o n - p r o o fb a r r i e rw i t hl o n gs q u a r ep i p e 图3 1 3 给出了长方管防爆栅栏内部速度矢量分布情况。对比图3 8 可以看 出，由于长方管的稳压作用，栅栏两侧气体流动加强，进气的均匀性较之短方管 有了明显的改善。虽然进气方管两侧的涡流并没有消失，但涡流中心的速度有所 减小，在栅栏两侧附近压力稳定，未形成强烈涡流，方管两侧气体流动的阻力减 小。 1 曲t 4 3 2 图3 1 3 ( a )长方管栅栏速度矢量图 f i g 3 - 1 3 ( a ) t h ev e l o c i t yi ne x p l o s i o n p r o o fb a r r i e rw i t hl o n gs q u a r ep i p e 江苏大学硕士学位论文 4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 图3 1 3 ( b )长方管栅栏速度矢量局部放大图 f i g 3 - 1 3 ( b ) t h ep a r t i a le n l a r g e do fv e l o c i t yi ne x p l o s i o n - p r o o fb a r r i e rw i t hl o n g s q u a r ep i p e 图3 1 4 给出了长方管防爆栅栏内部气流湍流动能分布情况。对比图3 - 9 可 以看出，长方管栅栏内部湍动能的最大值为7 9 2m 2 ，s 2 ，高于短方管，最大值出 现在靠近方管边缘的栅栏进口处，说明这部分气体的流速有所增加：在栅栏出口 端的长方管周边及长方管与圆管接口处出现涡流，但涡流的强度和范围均比短方 管的小。 图3 1 4 湍动能分布图 f i g 3 - 1 4t h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yi ne x p l o s i o n p r o o fb a r r i e rw i t hl o n gs q u a r e p i p e 由此可见，与短方管防爆栅栏相比，长方管防爆栅栏有较好的稳压作用，能 使进口和出口两端形成较稳定的压差，气体流动均匀且流动阻力较小。 江苏大学硕十学位论文4 1 0 5 防爆柴油机进气栅栏优化及整机性能预测 3 2 4 斜方管防爆栅栏 为了进一步的降低结构突变和涡流对进气的影响，加强栅栏对气体的引导作 用，将方管的所有侧面做成斜面。图3 1 5 和图3 1 6 为改进后的斜方管防爆栅栏 的空间结构和内部网格图。 图3 - 1 5 斜方管栅栏空间结构图3 1 6 斜方管栅栏内部网格 f i g 3 - 1 5t h es t r u c t u r eo fe x p l o s i o nf i g 3 - 1 6t h e6 r i do fe x p l o s i o n - p r o o f p r o o fb a r r i e rw i t hs k e ws q u a r ep i p e b a r r i e rw i t hs k e ws q u a