陳泓+張雙+張宗瀾

摘 要：以一款缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的進(jìn)氣道為研究對(duì)象，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件converge建立了三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)計(jì)算模型；針對(duì)不同的網(wǎng)格模型和進(jìn)氣道壓差計(jì)算邊界條件，分別仿真分析了進(jìn)氣道的性能。研究結(jié)果表明，三維穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算得出的進(jìn)氣道滾流比、流量系數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；而增加網(wǎng)格單元數(shù)量和改變進(jìn)氣道壓差邊界條件對(duì)進(jìn)氣道性能計(jì)算沒(méi)有明顯影響。

關(guān)鍵詞：缸內(nèi)直噴汽油機(jī)；進(jìn)氣道；三維模型；仿真分析

前言

缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的進(jìn)氣過(guò)程是非常復(fù)雜的三維流動(dòng)，合理的氣體流動(dòng)組織對(duì)充氣效率的提升、滾流比的增加、流量系數(shù)的增大至關(guān)重要。滾流比和流量系數(shù)是評(píng)價(jià)進(jìn)氣道的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。氣體流經(jīng)進(jìn)氣道所產(chǎn)生的滾流比對(duì)決定著發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒速度的提升能力，而燃燒速度的提升能夠有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率[1，2]。對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)進(jìn)氣道的滾流比和流量系數(shù)等性能參數(shù)進(jìn)行研究具有重要意義[3，4]。

文章采用計(jì)算流體力學(xué)軟件converge對(duì)一款缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的進(jìn)氣道性能進(jìn)行了仿真計(jì)算研，研究了不同氣門(mén)升程下進(jìn)氣道滾流比和流量系數(shù)的變化趨勢(shì)，對(duì)不同網(wǎng)格單元數(shù)量和不同壓差計(jì)算邊界條件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 進(jìn)氣道滾流比和流量系數(shù)計(jì)算方法

進(jìn)氣道滾流比和流量系數(shù)是評(píng)價(jià)氣道性能的兩個(gè)基本參數(shù)，二者之間存在矛盾的折中關(guān)系。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)需要保持一定流量系數(shù)的同時(shí)，盡可能提高滾流比。進(jìn)氣道滾流比和流量系數(shù)的計(jì)算方法如式（1）和式（2）所示。

2 進(jìn)氣道三維仿真結(jié)果

2.1 converge模型建立

converge軟件專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的多維流動(dòng)模擬，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)氣道分析、缸內(nèi)流動(dòng)計(jì)算與燃燒過(guò)程計(jì)算等。文章所建立的converge進(jìn)氣道計(jì)算模型（圖1和圖2）的邊界輸入條件為：進(jìn)口壓力100000kpa；出口壓力97500kpa；初始?jí)毫?8000kpa；溫度293.15K；湍流長(zhǎng)度0.001m；初始湍動(dòng)能1m2/s2。

2.2 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣行程中，活塞下行，氣門(mén)逐步打開(kāi)，缸內(nèi)形成負(fù)壓，氣流在氣道的引導(dǎo)下形成有規(guī)律的流動(dòng)，產(chǎn)生的滾流比可以保持到壓縮行程末期破碎，為點(diǎn)火時(shí)刻火焰的傳播提供充足的湍動(dòng)能。采用所建立的進(jìn)氣道三維穩(wěn)態(tài)仿真模型，計(jì)算了不同氣門(mén)升程下（hv=1.00mm～9.50mm）的進(jìn)氣道性能。氣缸軸線(xiàn)速度與平均速度的比值分布以及各個(gè)氣門(mén)升程下的滾流比和流量系數(shù)如圖3所示。

圖4和圖5給出了進(jìn)氣道滾流比和流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。從圖3可以看出，所計(jì)算的滾流比趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果相吻合較好，氣門(mén)升程大于3mm時(shí)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合更好，這主要是由于氣門(mén)升程小于3mm時(shí)，流動(dòng)不穩(wěn)定性的增加導(dǎo)致計(jì)算模型出現(xiàn)偏差。而圖4的流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)吻合較好，基本沒(méi)有偏差。

同時(shí)，應(yīng)用公式（1）和式（2）計(jì)算出了計(jì)算和試驗(yàn)的平均滾流比和平均流量系數(shù)，結(jié)果如表1所示。表1的結(jié)果表明，平均滾流比計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差為4.1%，而流量系數(shù)則為2.1%，這說(shuō)明所建立的三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型能夠較為精確的計(jì)算進(jìn)氣道的滾流比與流量系數(shù)。

3 計(jì)算邊界條件對(duì)仿真結(jié)果的影響

在氣道試驗(yàn)臺(tái)上，測(cè)量氣道滾流比時(shí)，采用的壓差（△p）為2kpa，但在仿真計(jì)算中，過(guò)小的壓差會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)不穩(wěn)定，計(jì)算收斂性變差，因此研究了不同壓差邊界條件對(duì)滾流比計(jì)算結(jié)果的影響。同時(shí)，對(duì)不同的基本網(wǎng)格尺寸（basegrid）、自適應(yīng)加密（AMR）、區(qū)域加密（Embedding）和邊界層加密（Gridscal）指數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，壓差邊界條件為2.7kpa、2.3kpa和2.5kpa時(shí)，氣道的滾流比、軸向速度與平均速度比值分布沒(méi)有明顯變化；而且改變網(wǎng)格數(shù)量和加密指數(shù)，滾流比計(jì)算結(jié)果基本一致。這表明，壓差在一定范圍內(nèi)變化不會(huì)影響滾流比，同時(shí)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到一定要求時(shí)，增加網(wǎng)格單元數(shù)，基本不影響計(jì)算結(jié)果。綜合考慮計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源，選用壓差2.5kpa、基本網(wǎng)格尺寸0.008mm、自適應(yīng)加密（AMR）、區(qū)域加密（Embedding）和邊界層加密（Gridscal）指數(shù)均為1的計(jì)算邊界條件比較合理。

4 結(jié)論

（1）converge軟件建立的三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型能夠較為精確的模擬進(jìn)氣道性能，平均滾流比計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差為4.1%，而平均流量系數(shù)則為2.1%。

（2）進(jìn)氣道計(jì)算壓差、網(wǎng)格單元數(shù)等邊界輸入條件對(duì)模型計(jì)算精度沒(méi)有明顯影響。

（3）采用進(jìn)氣道壓差邊界條件為2.5kpa，網(wǎng)格基本尺寸為

0.008mm，自適應(yīng)、區(qū)域加密和邊界層加密指數(shù)均為1的網(wǎng)格參數(shù)能夠在保證計(jì)算精度的同時(shí)，節(jié)省計(jì)算時(shí)間和計(jì)算資源。

參考文獻(xiàn)

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