（动力机械及工程专业论文）四气门柴油机进气道及缸内气流三维数值模拟.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 在内燃机中，进排气系统、燃料供给系统平燃烧室形状崩的年f 眦俞 足决定燃烧过程优劣的关键。本文以进排气系统中的进气道为l i 要 1 j 究力 i - ，重点研究了四气门内燃机的两切向进气道进气过程及缸内气体流动状 况，儿休内容如_ f ： 在阅读人量相关文献的基础上，综述国内外内燃机进气道及缸f j ：“e 流 动计算和实验研究的情况，确定了丌展四气门双进气道计算模拟的研究 j 豁。 应用反向工程来设计内燃机进气道，介绍了对气道点云获得、处列的方 淡，及表征进气道特征曲线的获得，最后根据气门、阀座、两进气道的嘶j 胃 图应用p r o e n g i n e e r 软件完成了双进气道一气门一气缸的三三维实休造j 应用计算流体力学软件f i r e 对双进气道及分别只丌一个进气道进行j 7 小同气门升程下的气道一气门气缸的i 维数值模拟。隅到了气道一“j _ 气缸内空气流动的迹线图以及速度、e 力、湍动能的分嘶i 图，分析厂舣进7c 上苣庄截面上的气流二j = 涉情况。计算出各升稻! 下的气体流尾系数，编1 ；j + 卯 扭矩的积分程序，从而得到不同情况下缸内空气流动的无川次涡流比。， 对气道进行稳流试验，计算结果与试验结果吻合较好分析结果女川 如 p 结论：剥于气道仰置以切向布置最佳，因为这样能，“生树对人的涡流：刘 j 两个进气道同时进气时两气道问气流存在相互r 涉，造成少m 的流吼坝 佚，但两者相互干涉的气流却会使涡流强度增加；结果表明，虑川本文及向 l 程的方法获得的气道三维实体模型是完全可行的，可以应刚c f d 训算柬佛 代人部分气道稳态试验工作，加速气道的研制。 最后，剥全文工作进行了总结，并对今后的研究工作进行展颦。 关键词：内燃机；气道；反向工程；c a d ；c f d _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ 一 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ni n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e t h ec o o p e r a t i o no ft h ei n t a k e & e x h a u s t s y s t e m 、t h ef u e ls u p p l ys y s t e ma n dt h es h a p eo f t h ec o m b u s t i o nc h a m b e ri st h e k e yo fd e t e r m i n i n gt h eq u a l i t yo ft h ec o m b u s t i o np r o c e s s t h em a i nr e s e a r c h w o r k so ft h i st h e s i sa r et h ei n t a k ep r o c e s si nt h ed o u b l et a n g e n tp o r t so ft h e 4 v a l v ei n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e a n dt h ef l o ws t a t u si n c y l i n d e r m a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： o nt h eb a s eo fr e a d i n ga g r e a td e a l o fl i t e r a t u r e ，t h es t u d ys t a t u so ft h e c f d ，t h ee x p e r i m e n t a t i o no ft h ea t m o s p h e r ei ni n t a k ep o r ta n dc y l i n d e rw a s s u m m a r i z e d ，a n db r i n gf o r w a r dt h et a r g e t a n dt h e m e a n i n go fc a l c u l a t i n gt h e d o u b l ei n t a k ep o r t si n4 - v a l v ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n e t h er e v e r s ee n g i n e e r i n gw a se m p l o y e di nd e s i g n i n gt h ep o r t s ，i n t r o d u c e d t h em e t h o do fg a i n i n ga n dd e a l i n gw i t ht h ep o i n tc l o u do ft h ep o r t s ，t h e ng a i n e d t h ep o r tc u r v e s ，a tl a s tc o m p l e t e dt h e3 - dm o d e lo fd o u b l ep o r t s - v a l v e - c y l i n d e r a c c o r d i n gt h ed i m e n s i o n so ft h ev a l v e ，v a l v es e a t ，a n dt h el a yd r a w i n gb yt h e s o f t w a r e ：p r o e n g i n e e r t h em u l t i - d i m e n s i o n a lc f ds o f t w a r e ，f i r e ，w a se m p l o y e di ns i m u l a t i n gt h e f l o ws t a t u si nd o u b l ep o r t s v a l v e c y l i n d e ra n ds i n g l ep o r t - v a l v e c y l i n d e r a n d o b t a i n e dt h et r a c e s ，t h ed i s t r i b u t i n gp i c t u r e so ft h ev e l o c i t y ，p r e s s ，t u r b u l e n c e e n e r g y a n da n a l y z e dt h ei n t e r f e r e n c ei n f o r m a t i o no ft h ed o u b l ep o r t si n s o m e s e c t i o n a n dc a l c u l a t e dt h ef l o wc o e f f i c i e n t i nd i f f e r e n tl i f t r a n g e a n d c o m p i l e dt h ei n t e g r a lp r o g r a m t oc a l c u l a t et h et o r q u e a c c o r d i n gt h et o r q u e ，t h e d i m e n s i o n l e s ss w i r lr a t i ow a sc a l c u l a t e di nv a r i o u sc o n d i t i o n s t h e s t e a d y f l o w e x p e r i m e n t a t i o n w a s e m p l o y e d i nt h e p o r t s t h e c a l c u l a t i o nr e s u l tm a t c h e dw e l lw i t ht h er e s u l to ft e s t m a i nc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w i n g ：t h eb e s tl a y o u to fp o r ti st h et a n g e n tc o n f i g u r a t i o nf o rt h em o r es w i r l c a nb ep r o d u c e da st h el a y o u t i nd o u b l ep o r t s ，t h ei n t e r f e r e n c eo ft h ed o u b l e g a sf l o wc a nr e d u c et h e m a s sf l o w ，b u tc a na c c e l e r a t et h es w i r li nc y l i n d e r a c c o r d i n gt h e s er e s u l t s ，i ti sf e a s i b l et od e s i g nt h e3 - d i m e n s i o n a lm o d e lo fp o r t b yt h em e t h o do f r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，a n dc a ns u b s t i t u t eam a j o r i t yo f w o r ki n t h e s t e a d y f l o we x p e r i m e n t a t i o nb ye m p l o y i n gc f d ，t h e r e b ya c c e l e r a t e t h e m a n u f a c t u r eo fp o r t 1 ts u m m e du pt h i st h e s i sa n df o r e c a s to nt h ep o t e n t i a lr e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ；p o r t ；r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；c a d ；c f d 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题背景、目的和意义 内燃机的发展有百余年的历史，其出现和发明可追溯于1 8 6 0 年，莱诺 依尔( j j e l e n o i r ) 首先发明一种大气压力内燃机：1 9 8 2 年德国工程师鲁道 夫狄塞尔( r u d o l fd i e s e l ) 发明一种新型内燃机，即压燃式发动机一柴油 机。随后人类对内燃机的研制和改进工作就从未停止过，人民为此付出了艰 辛的劳动，也使内燃机的动力性、经济性、可靠性得到了大量的改善，但这 并不意味着柴油机和汽油机是成熟产品。内燃机工业正面临着能源短缺、排 放法规、噪声控制等日益严格的巨大挑战，但可以相信的是这些挑战也促使 内燃机的各种基础研究和应用技术在未来十几年中将得到显著的进步，使内 燃机技术达到一个新的水平，高性能、低消耗、少污染的机型不断开发出来 投放市场。可以想象的是未来内燃机的研制工作需要应用大量的先进的设计 思想、制造技术、实验手段。另外随着电子技术、自控技术、计算机技术等 的发展，越来越多的此类技术应用在内燃机的设计与制造上。从国内外内燃 机行业九十年代的发展趋势来看，内燃机的产品设计方法和于段i ：i 益现代 化，从早起的传统类比设计上升到采用现代设计理论和方法来设计，也即计 算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助分析( c a e ) 、计算流体力学( c f b ) 与可靠性 理论。 面对日益严格的排放法规，国产车用柴油机要达到欧i i i 排放标准应采取 的技术方案配置是：直喷燃烧室+ 增压中冷+ 高压燃油喷射系统+ 四气门+ 电 控+ 排气后处理+ e g r ( 废气再循环1 。要降低排放，就需从上述方面进行研究， 本文也正是着手其中的四气门技术的研究。采用四气门能增大进排气门的总 面积，可提高缸内空气流量，减少换气过程的泵气损失，有利柴油机提高转 速，提高动力性。另外，四气门又是喷油器垂直中置的必要条件，可使喷油 器安装在燃烧室中央，改善空气和燃料的混合和燃烧，可以降低排气污染和 改善燃油经济性。因此四气门气道的设计是现代发动机零件设计中的重要组 成部份，产生合适涡流比和小流通阻力的气道也是气道设计研究的评价标 准。本文也正是着手此方面的研究，应用现代设计方法与先进模拟技术，对 内燃机气道进行三维造型及流体三维计算，实现发动机气道快速设计与分析 的能力。 采用多维数值模拟技术研究四气门进气道内的流动细节是有重要意义 华中科技大学硕士学位论文 的，不仅可以获得进气道、气门和气缸结构参数以及它们的相对位置对流动 特性的影响，而且可以得到其内部的大量微观信息，如两进气道相互1 ：涉的 信息，缸内涡流及滚流信息等等。为气道设计和改进提供重要的理论依螂， 、与然，气道内的气体流动实际上是三维、非稳态、伴随有传热和磨擦现象的 j 叮j j i 缩流动，建立气道内气体流动的数学模型时，必须考虑分析计算的目的。 抓住主要影响因索；处理好计算精度和计算量之间的矛盾。 总之，进行四气门双进气道一气门一气缸内空气运动的多缎数值模拟工 作，可全面了解进气道和气缸内气流的本质特性，从而为燃烧系统的改进和 进气流的合理组织提供理论依据和技术方案。 1 2 内燃机进气道及缸内空气流动数值模拟研究概况 在内燃机中，进排气系统、燃料供给系统和燃烧室形状三者的相与：配合 是决定燃烧过程优劣的关键。进入气缸内的空气量和进气产生的流动状态 对内燃机的动力性、经济性及排放性能有重要的影响。作为进排气系统中的 重要零件之一进气道因其形状的不规则性、流场的复杂性，一直以来足人们 研究的热点问题。下面是对国内外进气道数值模拟进展进行概述。 12 1 国外内燃机进气道及缸内空气流动数值模拟研究概况 众所周知，气缸内空气运动对燃烧过程的好坏对内燃机性能起着决定性作 片j ，近儿年来，大量研究已集中于使气体产生的流动结构与循环后期着火燃 烧时产生的流动结构及湍流情况发生关联，人们所做的目标就是如何提高进 气效率并产生有利于燃烧产生的进气流动结构。 内燃机进气道及缸内空气流动数值模拟经历了从二维模拟1 2 【3 】到三维模 拟【4 h ”，从层流1 6 1 到湍流 7 1 直至喷雾、燃烧、排放模拟8 1 的历程。多维模拟技 术因计算方法不够成熟，各种子模型不完善及计算机容量和速度的限制。计 算主要是局限于二维计算，例如将进气道与气缸结构简化为轴对称结构、气 门不偏心等。这些可以在一定程度上简化模拟内燃机的有关现象，为三维真 实形状的模拟奠定了基础。1 9 7 9 年j i a m o s 6 i 研究具有气门中心靠簧的轴 对称进气道的内燃机拖动状态下循环过程的流场，得到如下结论：轴对称 往复式内燃机内层流与湍流流场的计算模拟显示：进气和排气产生的湍流比 活塞运动产生的湍流重要。活塞在气缸壁产生的湍动能比进气产生的小。 出于平均流动的马赫数小，雷诺应力、湍动能和耗散率中的可压缩效应很 小，但可以确信它们在高压缩比和高转速时作用是显著的。不同的进1 - 7 条 件显示，如果轴向进气则气缸壁只形成一个逆时针旋涡，如果4 5 。进气则形 华中科技大学硕士学位论文 成两个旋涡。气缸壁周围的旋涡在整个循环过程中一直存在。气门处进气 f i l 排气条件下湍流模型中的经验系数要实验验证。1 9 8 7 年，a d 6 0 s m a n 和 a m y a h m e d 9 1 对轴对称进气道一气门一气缸装置内定常运动进行了训算研究， i i ：用热线测量了不同气门升程的流量系数、平均速度和湍流雷诺应力场，并 用流动可视化研究补充了这些结果，计算采用有限差分法、贴体计算网格和 k 一占湍流模型，通过比较发现小升程时可以得到流动的满意预测，但所采用 方法在大升程时与测量的湍流特性之间存在差异。这些误差的造成极大程度 上是由于湍流模型难以描述进气道及气缸内流动具有剧烈压力梯度、气道流 线显著弯曲、气体流动速度迅速增加这些问题。 事实上，内燃机进气道一气门一缸内空气运动不可能是二维，因气fj 靠置 偏心、气道还有双进气道、活塞运动以及燃烧室凹坑的偏心等原因，其内部 足呈现高度三维湍流运动状态。1 9 8 5 年w b r a n d s t a t t e r 等人l l 引进行了螺旋 进气道产生的进气流动的实验和理论研究。他们采用l d v 测量了稳态流动情 况下不同气门间隙处的三个正交速度分量，得到了气门和气缸盏之间气门周 目和不同平面内的数据，进行了非定常气体动力学计算来决定进气过程一j ，气 f j 上游直接的热力学条件和气门开口处质量流率，然后将l d v 测得的速度值 和从气体动力学计算得到的信息一起提供准稳态速度分布，用作进气过程r j 缸内三维计算的边界条件。在当时直接计算迸气道内流动不可能的情况下采 刚这一方法将进气道特性加于流动计算中是有意义的。1 9 9 0 年d a n ie l 等人j 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。1 9 9 4 年，p ie r r eg o d if i e 和m a r kz e l l a t i i 引在 商气道和螺旋气道上进行了稳定流动模拟，流量系数和缸内速度场吻合很好， 验证了预测进气道及气缸内定常流动的一种方法。分析了稳定流动模拟所观 察到的涡流产生机理，讨论了基于计算流量系数的内燃机性能预测。同年 b a h r a mk h a l i g h i 等人l l 采用自行开发的c f d 程序进行了平螺旋状燃烧室内 燃机上进气道气门一气缸内耦合流动结构的多维模拟。1 9 9 5 f - k a n g y a a h u h 等人1 1 4 采用修改过的k i v a - i l 计算了稳定流动和运行工况一f 内 燃机进气道一气门一气缸内的流动。结果显示：用稳流实验测量的涡流比预测 内燃机工作时缸内的涡流比是可能的，因为尽管稳定流动和内燃机进气的：t 维流动结构可能不同，但计算的涡流比之间是可比的。当然，只有瞬态流动 分析可以直接评估燃烧开始前一刻气缸内平均流动状态和湍流强度，但无论 是测量或计算，瞬态分析都有较大的困难，因此它们不能系统地被用于真实 情况，相反稳态流动的研究较容易进行，而且它们可以间接地显示上止点i j 华中科技大学硕士学位论文 的s 卜均流动和湍流水平。已经有实验证实，如果恰当修f 气fj 升程，稳定流 动时的涡流运动可以表征不稳定流动时的涡流运动。所以迄今为止，进气气 道稳流动的实验和数值模拟研究仍然具有重要意义。1 9 9 9 年韩国学者k e r n y k a n g 等人【”1 应用l d v 实验装置对直喷式柴油机四气门进行稳态测试，比较 ，气门直列和斜列，得出两个进气门直列比斜列产生更强涡流。同年f i 本学 者j u n ic h ik a w a s h i n a t l 6 l 应用s t a r - c d 流体计算软件对高速直喷柴油机的四 气门缸盖两个进气道( 一个为切向进气道，另一个为螺旋进气道) 气体流动进 行了数值模拟。比较了双进气道不同方案布霹，得出不同方案缸内迹线圈， 并用实验验证得出最佳方案布置。另外对单个螺旋进气道的不同的柿置进行 数值模拟，得出气道布置位置对流量系数影响不火，但对涡流比影响很人， 得到的最佳布置方案应是进气道靠近内壁，因这能在缸壁附近产生强的角动 量。国外越来越多的车用柴油机采用了每缸多气门的技术，取得了很好的效 果，从近几年国外的科研机构和生产企业对多气门柴油机进气道及缸内空气 运动研究的情况来看，大多数研究工作都集中在气缸内涡流的形成机理平涡 流变化规律的研究。 随着非结构化c f d 计算方法的成熟，气体流动能方便地分析气道到气缸 内的流动。国外在这方面进行了大量研究，并取得了极大的成功，丌发f f | 一 系列具有气体流动计算、缸内燃油喷雾、燃烧等方面功能的商用软件，如f 1 本西迪阿特的s t a r - c d 软件、奥地利a v l 公司的f i r e 、美国的k i v a 和英豳 l l c a r d o 公司的v e c t i s 等。其中f i r e 软件具备湍流模型( k 一占模型、r s m 模 型) 、喷雾燃烧模型( 油滴爆裂模型、油雾蒸发模型、壁膜模型、污染物生成 模型等) 可以处理非结构化移动网格，能模拟发动机进气一喷雾一燃烧的多维全 过程。总之，气道内的三维气体流动数值模拟计算难点在予：形状复杂且与 性能紧密相联，因而必须准确反映流动区域的几何边界，要达到实用化必须 使计算节点达到一定水平，另外还需和缸内气体流场相联系，要能模拟发动 机整个进程。国外已基本掌握了有关的关键技术并达到了较高水平。 1 2 2 国内内燃机进气道及缸内空气流动数值模拟研究概况 国内在这方面的研究工作，相对来说比较薄弱，同样也是大量内燃机研 究者目前正探讨的重点和热点之一，1 9 8 9 年，吉林工业大学孙济美等人m 】 进行了内燃机模型进气道内气体流场的模拟和实验研究。他们使用热线风速 仪测量了模型气道内的流场，与计算结果进行比较，在此基础上发展了一种 可_ j _ f 内燃机进气门处流场计算的湍流模型。即修正的k 一占模型，1 9 9 6 年， 无锡油泵油嘴厂杨笑风等人 i s l 根据d e n t o n 格式的基本思想，发展了种计 华中科技大学硕士学位论文 算内燃机气道内部流动与时间相关的有限体积法程序，这些计算都只足单独 剐简化的进气道进行了数值模拟，而未考虑气门利气缸的影响。同年，棚贺 - j ：等人9j 对进气道内的空气湍流运动的规律进行研究，应用贴体正交网格技 术，k f 双方程模型，选择乘方律格式离散各流动控制方程，采用s i m p i ，e r 算法，并对计算结果分析，得到了气道内部气体流动的规律：在直气道部分， 主流方向的速度在逐渐增大，而其它两个方向的速度值很小，变化也比较小： 在螺旋部分沿圆周的切向速度和轴向速度都比较大，且沿圆周分布比较均匀， 而径向速度很小。这种计算方法也是对进气道进行简化，没有考虑气道复杂 的外形尺寸，不能对具体气道进行模拟。1 9 9 8 年，甘显珊等人1 2 0 1 对内燃机螺 旋进气道流场进行三维数值模拟，在计算网格上，应用分块耦合法将螺旋进 气道分为两部分，即进气导流段和螺旋产生段。用p o is s ot 1 方程分别对这两 部分进行贴体网格划分。然后将这两部分耦合起来形成整体网格系统。在流 场计算方面，选用e u l e r 方程作为进气道流场的控制方程。对方程采用f v f i i c 有限容积法进行离散。得出主要结论是：进气道存在涡流区，减少了进气道 的有效通流截面，是充气量减小和气流能量损失的主要原因；进气道f j 的 气流分前j 不均匀。1 9 9 9 年，杨玟1 ” 对进气道稳流实验装置内三维流动特性进 行数值模拟研究，建立了贴体难交曲线坐标系中螺旋进气道一气门一气缸内的 ：三维流动模型，采用贴体正交网格、乘方律差分格式、k 一占双方程湍流模型 以及s i m p l e 算法，开发了进气道一气门一气缸内三维湍流场的数值模拟程序， h 算与实验结果吻合，得出如下结论：螺旋进气道螺旋流道斜坡段或前段内 气流运动产生的气流角动量是气缸内形成旋流的主要分量：气流在螺旋进气 道内产生的角动量与气缸内进气射流碰撞气门盘、气门座和气缸壁产生的角 动量相结合，在气缸内形成复杂的旋流，因而气流角动量随着气缸轴向距离 的增大而增大；减小气门升程，气流绕气门盘产生的回流区的径向范围增大， 轴向范围减小，气缸内气流没轴向能更快趋于均匀，而增大气门升程，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，且气流能比较自 由地进入气缸，角动量和流量系数随气门升程增大而增大。研究结果表明， 三维数值模拟方法可以更深入提示螺旋进气道、气门和气缸的结构参数以及 它们的相对位置与流动特性的关系。随着计算机辅助设计手段的提高，很多 研究人员应用各种先进三维造型软件，实现进气道的参数化三维造型。如i 9 9 9 年，常思勤等人【22 l 应用非均匀有理b 样条( n i j r b s ) 描述螺旋进气道外形，探 讨了具有复杂外形与较高设计要求的螺旋进气道的设计规律，实现了根据给 定、发计参数自动建立柴油机螺旋进气道三维模型，提出并应用了一种新的网 华中科技大学硕士学位论文 格划分方法：组合网格划分方法，并自行丌发了三维流动数值模拟计算软件 ： d f 1 0 w s 。随着大量的有关流动计算的商业软件的应用，对气道与气缸的数 值模拟也越来越细化，考虑的问题也全面许多。2 0 0 2 年，王志| 2 副应用a v i 。公 ，目的f l r e 软件对4 b t a a l 4 0 柴油机螺旋进气道开展了c a d c a m c f d 体化研 究，提出了c a d c a m c f d 集成的现代气道研制方法。研究了分离螺旋涡流和 切向涡流的方法和评价螺旋进气道的原则，分析了a v l 和r ic a r d o 涡流比的 差异，得出评价螺旋进气道的性能的标准是：是否满足所需的涡流大小； 切向涡流与总涡流的配比是否最佳，即切向涡流为总涡流的3 0 左右为佳。 并提供了种从总涡流中分离出切向涡流的方法。 需要说明的是：国内对气道的研究多数是仅对两气门气道进行模拟，四 气门双进气道的数值模拟仍在发展之中，可以预见的有关此方面的研究会越 来越多。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，如1 9 9 6 年，史绍熙等人1 2 4 j 在稳态气道试验台上剥一台四气门汽 油机以5 种不同结构的进气道进行气道流动特性的试验，用激光多普勒测速 仪在发动机倒拖工况下测量了缸内空气流动，得到如下结论：四气门汽油机 的缸内宏观空气流动主要是围绕与气缸中心线垂直方向旋转的滚流运动；r 箭 位切向式双进气道可获得较高的滚流速度和平均流量系数，是四气门汽油机 理想的进气道结构形式；当关闭其中一个进气道而保持另一进气道j f 常i ：作 时，缸内空气流动即与较强的涡流合成为斜轴涡流。2 0 0 0 年邵玉平等人t 2 5 l 利用热线风速仪和自行设计制作的气缸内流场测试系统，对二气门和四气门 柴油机模型气缸盖下气缸内流场进行了测量，实验结果表明：气缸内流场的 形成在二气门和四气门气缸盖中有很大的不同。二气门气缸盖中，气缸内流 场的形成是从气缸中心开始，逐渐向气缸中心外部扩展：四气门气缸盏中， 气缸内涡流的形成是由外向内的，随着进气过程的进行，外部气流逐步带动 气缸中心附近的气流一同旋转。二气门气缸内涡流的分布是偏心的；四气门 气缸内的涡流位于气缸的中心。2 0 0 1 年，江苏理】：大学的王忠等人1 2 6 j ，针列 柴油机二、四气门进气系统的特点，通过稳态气道试验测量了二气门和四气 门的螺旋气道、切向气道及组合气道的流动特性，讨论了不同组合的进气道 和缸内气体流动的特点，提出了评价组合气道流动特性的方法，得出如下结 论：切向气道与螺旋气道的进气流量之比直接影响缸内流场的形成，最仕 的涡流效果同这一比值密切相关，该指标可以评价气道的流动特性。综合 流量系数、涡流干涉系数、组合气道进气流通面积之比、组合气道进气流量 之比等综合指标可作为四气门进气系统变涡流强度的设计依掘。最佳的四气 6 华中科技大学硕士学位论文 门系统设计应尽可能以螺旋气道的流通截f i 可以，”，j 足够的j 2 i ：7e 涡流为f 1 0 提，合理地选择切向气道的流通面积，以保征较人的进气流啭。， 7 c j 逃系统州比、四气门进气系统扫：胁个边汀j j | j 邻的问隔阮l j 、j 会产小i 哳股十 碰掠干涉的气流运动，列进入气缸内的窄气鹭以及形成7 缶l 内的涡流比仃 定的影响。进气门相邻的川隔区内会产生两股柑旺碰撞f 。涉的c 流远，力， 时进入气缸内的空气量以及形成气缸内的涡流比，仃定的影f 们。2 0 0 2 印r 。r 朴入学的李君等人2 7 对四气门柴油机，i ：两个进t 道单独年川州丌肼的情况 f ，利刚热线风速仪测量进气门出li 全圆甜速度分斫j ，j ：通过动醴矩流j 缸的 算分析了两个进气道气流相互影i 响的变化规 _ | l 及、卜要影1 4 q 豢。i 粜 表明，在进气过程中，两个进气道之问的气流十互影响，造成r 两进气】 l j 速度的爵分配，进而导致了缸内气流绕气缸轴线动量矩流率的变化。z 以琢 矧! 流：靼的总量与两气道单独丌启刚棚比有叫盟减少，这是两t 通的纰台涡流 比小r 雌独气道涡流比的主要原因：两进气道之m 的二l 二扰槲度，作t 鸠+ il 粜l 仪 决 i 气道小身的结构形状平f l 相列位置。 近儿十年来，随着湍流理论的| f 茄成热平| | 算机技术的j 且狐发塍，地i j 、j 燃机气体流动模拟技术闩益完善，刈水i 信的足以后研究的力i 啊足数“i 汁饽， 实验4 | l 结合，利月j 数值计算的结果水分析气道流动情况，为t 嵫i ，| j 改进抛 i 办便。水文就是应用p r o e n g n e er 软 ，i ：刈实际的p u 。“j 进。e j 煎艾叫 制，并应川i t ir e 软件对其及气缸内空气流动进行数值模拟。 1 3 湍流模型分类及简介心引 湍流( 又称紊流) 是i h 然界普遍存在的一种流体流动。湍流硼f 究的根本办 法足进行直接数值模拟( d n s ) ，即在k o l m o g o f o v 尺度( m m 罱级) 的例格。lr 求斛 瞬时量的n a y i e r s t o k e s 方程( n s 方餐l ! ) ，而不使j 1 j 任何湍流模) 诅。1 i l j l ! = i ) n s ，j j 法要占据庞火的计算机容量和c p uf | 寸i j ，因而存其当前发展阶段还f i 能解 决f i - 何的一1 程问题。湍流中的物质扩散，受流体1 r 均运动的对流再儿湍流扩散 两含过程所控制，所以用于预测的数学模型，必须f 确地捕述卜均流场干湍 动扩微的特征。湍流的平均速度、压强和标最( 如温度等) | ! i j 分撕j ，受p | | fp u 个，程所控制 连续力程望+ 璺型生：0 ( 1 1 i ) am 运动方程罢+ 万，要生：一上要+ 土( - p u , u ，) + 譬， ( i ) 0 1 0 xpu x pu x t 华中科技大学硕士学位论文 标量输运方程詈+ 巧善= k r 筹+ 耳一毒( 万) + ，挈 ( t t c ) 状态方程p = p ( r ) ( j 硼j ( | ) 式q ，r 为平均标量；，为标量脉动量；f r 为体积源项；g ，为体积力。式r j 略 去了分子输运项和粘性力。解上面的控制方程的主要问题，是确定雷诺应力 ( 一p u ，“，) 和标量通量( 一p u ，) ，因而用引进低价的关系或平均量来近似表示 这些湍动量，也就是以湍流模式来模拟真实湍流的平均特征，从而用这些微 分形式或代数方程表示的模拟关系式，与式( 1 一1 ) 的控制方程一起，组成封闭 方程。 1 3 1 湍流模型的分类 根据对湍流不同特征的模拟，现有的湍流模式大致可分为以下四类： 1 ) 平均速度场封闭模式 这种模式用某些平均量取代雷诺运动方程中的脉动量，从而求得这些脉 动量的某种估量。例如p r a n d t l 混合长理论就是其中之一，他用甲均流速梯 度反映雷诺应力( 一p u 。“，) 。 2 ) 平均湍流场封闭模式 此种模式除了对平均速度进行估量外，还对某些脉动量进行估量，例如 k o l m o g o r o v p r a n d t l 将涡体粘性系数嵋与湍动能r 和特征长度，建立联系，即 q = c 。k ( 1 2 ) 式中k = 三瓦。 ：；) 平均雷诺应力封闭模式 此种模式是用建立雷诺应力各分景的关系，以封闭湍流方程组。早在1 9 4 2 年我国著名科学家周培源教授就提出了雷诺应力输运方程组，后来逐步完善， 形成了完整的雷诺应力模式。 4 ) 平均湍动能封闭模式 此种模式是以湍动能量方程作为一个补充方程，并与其它方程组成封闭 方程组。例如k 一占模型就是其中之一。 湍流模式也可根据增加微分方程的个数分为零方程模式、一方程模式、 华中科技大学硕士学位论文 ：方程模式和多方程模式等。这里所说的增加方程的个数，是指除了平均流 动的雷诺方程和连续方程外，还要增加其它方程才能使方程组封闭求解，增 加多少个方程式，则该模式被称为多少个方程模式。例如湍流混合长理沦， 直接给出了涡体粘性系数u ，与当地平均速度的关系，而没有增加微分方程， i 划而称这为零方程模式。又如k 一占方程模型，因为增加了彭方程和5 方程， 因而称为二方程模式。 1 3 2 k s 两方程模型 涡流的尺寸是描述湍流的基本结构，是湍流运动的主要特征长度，而涡 体的尺寸和湍动能k 。都受平均流动的对流和湍流输运过程所支配，而且流 体流动的历史也有一定的影响，涡旋的拉抻减小涡体的尺寸，使涡体分裂； 湍能耗散减少小涡体，使涡体合并，有效地增大涡体尺寸。所有这些过程， 可表示成长度尺度，。的输运方程。但得到计算。的广泛有效的计算式还很困 难，一般综合形式是s = k ，：。 ( 1 ) 占方程 湍能耗散率g ，等于流体运动粘性系数u 和脉动涡强的乘积，即 r ? i = 一、 5 ：u i 堕堕f ( 卜， j l 舐j 舐jj 埘- f ：高雷诺湍流，可不考虑分子扩散和产生项，因而占输运方程简化为 堡十百堡：一旦( 万) 一2 u 堕堕堕一 8 l a ) c |融i ”1瓠la x ia ) ：lz 卜去 2 a ， i i r r v 式中 i 为s 变化率； i i 为对流输运项； i i i 为扩散输运项： 为涡旋拉伸产生项； v 为粘性衰减项。 对上式各项进行模拟后代入式( 1 4 ) 后占方程为 告= 毒( c 。等毒) _ c g u j u l 删c 3 x - i - 一e ，譬 s ， 涡体粘性系数q 和扩散系数d ，与髟，占之阳j 的关系为 u = 巴k2 屈，口= o ro t 推荐的经验常数列于表卜1 中；表中的数值是l l o s s a i n 在广泛研究自由湍流的基础上得来的。 9 华中科技大学硕士学位论文 表卜】足一占两方稃模刑中的常数 c ，t ，c qc q 仃k 盯。 f o 00 91 4 41 9 20 8l01 30 8 ( 2 ) k 方程 k 方程为 等+ 巧筹一毒匕筹 鸲( 筹4 - 等 等一c ，竿 。一6 ，a 出，巩，i 仃fm 。j【苏，舐，j 良 “，( 卜) 式中的系数口。、c ，也列于表卜1 中。 k s 双方程在推演过程中，采用了以下几项基本处理：用湍能k 反映 特征速度；用湍能耗散率s 反映特征长度尺度；引进了涡体粘性系数 q = c 。k2 占的关系；使用了b o u s s j n e s q 假定进行简化。俨因为如此，可 以认为k s 具有以下优点：通过求偏微分方程考虑湍流物理量的输运力 控，即通过求解偏微分方程确定脉动特征速度与平均场速度梯度的关系，i f i ：j 不是直接将两者联系起来；特征长度下不是由经验确定，而是以耗散尺度 作为特征长度，并由求解相应的微分方程得到。由于k f 模型在一定程度。f ： 考虑了流动场中各点的湍能传递和流动的历史作用。计算结果表明，能比较 好地用于某些复杂的流动，例如环流、边壁射流和自由湍射流，甚至某些复 杂的三维流等。但也有以下局限性：仍采用了b o u s s i n e s q 假定，即采用了 梯度型和以各向同性的概念，因而使j | i ：一占模型难以准确地模拟剪切层中流动 方向改变对湍流场的影响；采用了一系列的经验系数，而这些系数都是在 一定试验条件下得来的，因而也限制了模型的使用范围。对于内燃机气道及 缸内空气流动来说，k 一占双方程模型的计算精度是足够的，如王志在计算螺 旋进气道时采用的就是此模型，得到计算误差在5 之内，本文采用此模型， 具体说明见本文第4 章所示。 1 ，3 3 雷诺应力方程模型( r s m ) 雷诺应力方程模型通过建立和模拟雷诺应力二阶关联量的方程，求得时 均流问题的封闭，因此也称为二阶矩封闭模型( s e c o n dm o m e n tc io s u f e ) 。根 据雷诺应力方程的类型可以分为雷诺应力微分方程模型( d s m ) 和简化形式嚣 诺应力代数方程模型( a s m ) 。 ( 1 ) 雷诺应力微分方程模型( d s m ) 华中科技大学硕士学位论文 由于雷诺应力微分方程中存在压力应变相关项和含三阶相关矩的扩散 l ! j i ，因而方程组不封闭，不能直接求解。1 9 7 5 年l a u n d e r 等【z9 j 发展了。种新 的二：阶矩模型( l r r 模型) ，他们导出了更系统的压力一应变相关项和湍流输运 项模型。以后的雷诺应力模型多是以l a u n d e r 等人的工作为基础展开的。雷 诺应力模型虽然在湍流理论方面最为简单，但在工程预报中却是最为复杂的 一种。对于一般的三维流动采用d s m 模型，除了时均流4 个流动控制方程以 外，还要增加6 个雷诺应力方程和1 个湍动能耗散率微分方程，因此，对湍 流本身我们就需求解总共个方程，此外d s m 中所需要的1 4 个经验常数也 很难精确确定。由此可见，就内燃机领域而言，d s m 模型较高的计算成本是 其难于被广泛应用的主要原因，其次有人认为其模化过程中引入的假设并非 都有充分的理论根据，针对具本的流动问题总体上精度是否一定比k 一双方 程模型商仍有待讨论。 ( 2 ) 雷诺应力代数方程模型( a s m ) a s m 模型的基本思想是设法将雷诺应力的微分输运方程简化为代数表达 式，以克服d s m 过于复杂的缺点，丽同时又保留其能反映湍流各向异性的优 点。它是d s l i i 模型的一种简化形式，能较好地预测旋流中心回流区的大小和 强度，采用a s m 模型是研究旋流问题的一条较好的途径。 总而言之，研究和改进湍流的主要目的是提高湍流的预测精度。器种湍 流模型都有各自的使用范围，因而并非采用的湍流模型越复杂，阶数越高越 好，而应根据具体的工程实际条件选用恰当的湍流模型。 1 4 本文的主要工作 在内燃机的研究中，进气系统的数值模拟计算是一个非常重要的研究方 向：而内燃机四气门进气道一气门一气缸的计算是个全新的研究课题，本文 以某一柴油机的进气道为研究对象，对其进行全面系统的数值模拟，并与实 验相对比。具体有以下主要内容： 广泛地查阅国内外内燃机进气道及缸内空气流动计算及实验研究资 料，并对相关资料进行研究，确定研究工作的目标和内容。 简述反向工程的过程及意义，系统介绍四气门进气道点云数据的获取， 应用s u r f a c e r l 0 0 软件对点云处理，获得气道曲线，以及应用p r o e n g i n e e r 实现两个单进气道及双进气道一气门一气缸的实体造型。 应用f i r e 软件完成气道一气门一气缸内的数值模拟，得到不同升程下 双进气道及单进气道气缸内流场，如速度场、压力场、湍动能场等的分布。 华中科技大学硕士学位论文 说明气道流量系数、扭矩、无因次涡流比的计算方法及原理，编写f i 眦的外 接程序来计算扭矩，以及计算各种情况下的流量系数及无因次涡流比。 描述气道的试验方法，并应用稳态试验方法对双迸气道及单气道进行 试验，对实验结果与计算结果进行对比分析。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 反向工程在内燃机气道三维实体造型中的应用 反向工程在经济发展中具有重大意义，f = 1 本成功崛起给我们十分有益的 启示”，j ：二 本二战后3 0 余年中，凭借引进技术及吸收创新等手段，一跃成 为仪次于美国的第二经济强国。研究发现，网本人成功地完成经济腾飞的关 键，不仪在于其大量引进技术，更主要的还在于他们十分注重列引进技术的 反求工程研究，在于对先进技术的消化、吸收和国产化，其当时的口号是“第 一台引进，第二台国产化，第三台出口”。据同本政府推算，成功的技术引 进和反求研究使日本节省了2 3 的研究时阳j 和约9 1 0 的研究费用。呵见， 加强和推进反向工程的研究及应用势在必行。 我国的内燃机行业相比而言处在比较低的位置，许多零部件均是从国外 直接进口模具，没有这些零部件的设计资料，在这种情况下要实现这些零f t ： 的国产化是很困难的。内燃机进气道就属这种零件，其所处的空间位置受缸 盖上喷油器、固定螺栓和气门等的布置限制，性能上则需保证高的充气系数 和小的进排气阻力等要求，对直喷式机型，还要满足一定的进气涡流比。设 计时所要考虑的制约因素很多，设计要求繁杂，然而这却是发动机设计中不 可避免的关键部分，对整机性能影响很大，为了得到优良的气道，以往通常 足对初步设计的气道制成模型，在稳定试验台上反复试改，这个工作不仅耗 时耗工，而且得到的结果也仅仅是满足设计要求的可行性方案，难以实现多 气道形状方案的选择和优化，故其设计表征、结构分析、性能评价和制造加 ：l ：一直是困扰设计人员的难点之。然而，这却是气道新品开发必须面对而 需解决的。为此，我们在内燃机气缸盖上的进排气道的设计和加工中引入了 反向工程技术。 2 1 反向工程简介n 1 3 3 1 反向工程( r e v e r s ee n