某汽油机进气道性能的cfd分析-吉利汽车等

1、 229 0.5DCFDCFD AVL 1mm1mm2009 AVL11 212 C dCFMF 12112CFradradAVL0180153AVLCFM1CFMC ( ) 3 ( 11)dCm20CFC( ) CmC( ) cos) sin1(Cm21 ( sin )2(rad)rLr(m)Lm 4C ( 21) 0d TT ()MCmC( )CmTM,TC( ) Cm AVLFireCFD 2009 AVL2为了保证更高的计算精度，采用分体生成网格后连接的方法（如图 1 所示），计算的网格数控制在 70-80 万之间。各部分网格的连接为节点对应的连接，用Conform Connect 的

2、方法实现。计算选用的湍流模型为 k-f 模型，为保证计算精度壁面处的Y 值需要控制在 3-200 以内，这就要求严格控制边界层的厚度。为满足Y 要求和保证几何形状不失真，需要对稳压腔气道进口附近、气道、气门、导管、座圈及燃烧室等流速较高的部位进行细化，所获得的网格模型如图 2 所示。滚流比的计算方法是在气缸开始处向下 0.5D（D 为气缸直径）位置处创建 Faelection，通过调用滚流比计算程序，并计算通过该截面绕垂直于气缸轴线方向的气流角速度获得滚流比。为精确控制该截面的位置，需要先将气缸部分的网格拉伸至 0.5D 位置处，以生成该表面。因此，缸体部分的体网格通过两次拉伸获得（见图 1）

3、。图 1 网格连接示图 图 2 连接后的网格模型 2009 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文3连接后的网格网格连接4.2 边界条件进口设定总压边界条件，压力值为 1e5Pa；出口为静压边界条件，压力值为 9.75e4Pa，进出口压差为 2.5e3Pa。为便于收敛，5mm 以下的小升程保证进出口压差为 6.5e3Pa。其他表面为壁面边界条件，气体在壁面处的流速为 0。边界条件设置如图 3 所示。图 3 边界条件示意图 4.3 结果分析根据计算结果及汽油机进气道的性能要求，对气道的流通性和气流组织性进行了分析。流通性包括压力损失、速度分离、湍动能及流量系数分析，考察的是气道型线和解面积设计合理

4、性；气流组织性主要是滚流比发展情况分析，考察的是气道位置、角度及与燃烧室型式配合的合理性。其中三维结果的分析通过沿气道流动方向的关键位置处建立剖面实现。4.3.1 气流流通性分析 压力损失分析图 4 总压分布（气道中心截面） 从图 4 可见，该进气道与座圈连接位置的台阶处存在较大的压力损失（图中圆圈所示位置），大2009 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文4总压（Pa）出口（Outlet）壁面（Wall）进口（Inlet）小约为 2KPa。 速度分离分析图 5 速度矢量分布（气道中心截面） 从图 5 可见，该进气道进气门背面的座圈及燃烧室处存在明显的速度分离和涡流（图中圆圈所示位置），从而造

5、成流动阻力过大，流量系数下降。 湍动能分析图 6 湍动能分布（气道中心截面） 从图 6 可见，该进气道的气道入口附近及进气门背面附近区域的湍动能较大，说明该位置的流动不稳定，损失较大。 流量系数计算结果根据 AVL 评价方法计算的流量系数绘制的流量系数曲线如图 7 所示。由于该发动机尚处于在研阶段，未进入市场，考虑到数据保密问题，对图中纵坐标处的具体数值予以隐藏。可见，到 6mm 升程以后流量系数的增加变得很平缓，说明大升程下流量系数主要由气道本身的结构决定，气门开度的影响很小。经计算得到该进气道的 AVL 平均流量系数为 0.303。2009 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文5湍动能（m

6、2/s2）速度（m/s）图 7 流量系数-气门升程曲线 4.3.2气流组织性分析迹线分析图 8 流动迹线（气道中心截面） 速度分析（0.5D 截面）2009 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文6速度（m/s）流量系数曲线数系量流02468气门升程（mm）图 9 速度分布（0.5D 截面） 从图 8 可见缸内的滚流发展情况，有明显的滚流产生。图 9 是滚流比测量截面的速度大小分布情况，可见气缸前后两侧的速度大小差别很大，气流主要从气门前侧进入气缸。 滚流比计算结果根据计算的各升程的滚流比数值绘制的滚流比变化曲线见图 10。由于 4mm 升程以下的小升程滚流比较小，不容易收敛，因此只考察 4mm

7、 升程以上的滚流比变化情况。可见，随着气门升程的增加，滚流比呈近似线性增加的趋势。代入平均滚流比计算公式得该进气道的平均滚流比为 1.85。图 10 滚流比-气门升程曲线5 试验验证此气道测试采用的是 AVL 流量试验台，根据计算值和试验测量值绘制了对比曲线，如图 11、12所示，以验证计算值与试验值的偏差。从图 11 可见，除了 2.79mm 升程的偏差略大以外，其他点的偏差很小，初步分析偏差较大的原因是小升程测量不稳定造成的。最大升程流量系数的计算值与试验值的误差为 0.9%；滚流比计算值与试验值的误差为 6.2%，基本满足工程应用的精度要求。说明进气道 CFD 计算的结果可以用于指导设计。2009 AVL 先进模拟技术中国用户大会论文7滚流比曲线比流滚246810气门升程（mm）图 11 流量系数计算与试验对比曲线 图 12 滚流比计算与试验对比曲线 6 结论1. 该进气道与座圈连接位置的台阶处存在较大的压力损失和速度分离，造成流量系数偏低。2. 最大升程流量系数计算值与试验值的偏差为 0.9%，有较高的精度。3. 最大升程滚流比计算值与试验值的偏差为 6.2%，满足工程需要。4. 该汽油机的进气道属于大滚流比进气道，气流组织性很强。5. 气道的流量系数和滚流比是一对相互矛盾的参数，二者不可兼顾，视具体的发动机要求而定。中低速的气流速度较低，希望较高的滚流比，增强