王永坡，于敏之，孫碧盛

（燕山大學(xué) 車輛與能源學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

前言

內(nèi)燃機(jī)是世界上應(yīng)用最為廣泛的一種熱力機(jī)械。[1]隨著石油資源的日益減少，節(jié)約能源、降低燃油消耗將成為內(nèi)燃機(jī)，特別是汽油機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。[2]汽油機(jī)缸內(nèi)的流場(chǎng)，特別是進(jìn)氣階段的在缸內(nèi)形成的流場(chǎng)對(duì)燃燒效率有很大的影響。近年來隨著科學(xué)測(cè)量手段的不斷提高，可以用先進(jìn)的測(cè)試儀器測(cè)量分析，但受到內(nèi)燃機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和復(fù)雜過程的限制，很多數(shù)據(jù)是無法測(cè)量的，計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的飛速發(fā)展為數(shù)值模擬計(jì)算提供了條件。[3]利用數(shù)值模擬，可以對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。[4]在以往的研究中，師石金等人闡述了發(fā)動(dòng)機(jī)CAD/CFD設(shè)計(jì)開發(fā)中的重要性，徐玉梁利用數(shù)值模擬的方法對(duì)四氣門汽油機(jī)氣道及缸內(nèi)氣體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了研究，并對(duì)記過進(jìn)行了驗(yàn)證。秦文瑾也對(duì)缸內(nèi)的湍流特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為進(jìn)氣射流是產(chǎn)生缸內(nèi)強(qiáng)湍流場(chǎng)的主要原因。

本文基于CFD軟件CONVERGE，對(duì)一臺(tái)四沖程汽油機(jī)進(jìn)氣階段的缸內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真。首先通過逆向建模建立了發(fā)動(dòng)機(jī)的CAD模型，將其導(dǎo)入到CONVERGE中進(jìn)行面網(wǎng)格的處理和基本參數(shù)的設(shè)置并計(jì)算，獲得任一曲軸轉(zhuǎn)角下的流場(chǎng)信息，并對(duì)所得流場(chǎng)信息經(jīng)過可視化處理之后進(jìn)行分析。

1 模型建立及網(wǎng)格處理

1.1 計(jì)算對(duì)象

本文的研究對(duì)象為一臺(tái)自然吸氣四氣門汽油機(jī)，主要研究了 3000r/min工況下，燃燒室內(nèi)的氣體流動(dòng)狀況。發(fā)動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 建立幾何模型

筆者利用逆向建模工程，對(duì)汽油機(jī)原機(jī)進(jìn)行逆向建模，建立了氣道及燃燒室模型。將CAD模型轉(zhuǎn)換成STL格式導(dǎo)入CONVERGE中，之后在CONVERGE中對(duì)面網(wǎng)格模型進(jìn)行檢查和修復(fù)，然后可進(jìn)行對(duì)噴油孔處、氣門處和燃燒室的網(wǎng)格進(jìn)行加密設(shè)置，在CONVERGE的Events中設(shè)置當(dāng)氣門升程小于等于0.2mm時(shí)，默認(rèn)氣門為關(guān)閉狀態(tài)。完成所有的設(shè)置之后進(jìn)行運(yùn)算，在運(yùn)算過程中CONVERGE能夠自動(dòng)生成動(dòng)網(wǎng)格。汽油機(jī)的三維幾何模型如下圖所示。

圖1 汽油機(jī)三維幾何模型

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 燃燒室內(nèi)流場(chǎng)分析

缸內(nèi)的流場(chǎng)形式主要有四種：（1）進(jìn)氣渦流；（2）滾流；（3）壓縮擠流；（4）斜軸渦流。[5]四氣門汽油機(jī)中空氣運(yùn)動(dòng)以滾流為主，滾流有助于改善燃燒過程。[6]為了便于說明，筆者對(duì)進(jìn)氣道的不同部分進(jìn)行了命名，如圖3-5所示。

圖2 進(jìn)氣道的各部分命名示意圖

筆者在總進(jìn)氣道入口面上均勻設(shè)置了200個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)并生成了它們?cè)谶M(jìn)氣階段的跡線，如圖3（a）所示，發(fā)現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)在燃燒室中的跡線主要集中在兩個(gè)氣門位置的下方，并有較為明顯的分界線。筆者又進(jìn)一步在每個(gè)分氣道的入口分別均勻設(shè)置了100個(gè)質(zhì)點(diǎn)，得到的在進(jìn)氣階段質(zhì)點(diǎn)在缸內(nèi)的跡線分別如圖3.(b)、(c)。由圖3可知，每個(gè)分氣道內(nèi)的氣體進(jìn)入到氣缸之后，它的運(yùn)動(dòng)區(qū)域主要集中在該氣門這一側(cè)的燃燒室部分，兩部分跡線重疊部分很少。

圖3 質(zhì)點(diǎn)進(jìn)氣階段跡線圖

為了進(jìn)一步了解缸內(nèi)流場(chǎng)在進(jìn)氣階段的這種現(xiàn)象，筆者在燃燒室部分建立了兩個(gè)縱向切面，一個(gè)切面過氣缸軸線并平行于兩個(gè)進(jìn)氣門軸線所在的平面，另一平面過氣門桿軸線并與上一切面垂直，通過這兩個(gè)切面觀察在不同氣門升程下的缸內(nèi)流場(chǎng)情況。并命名其為縱向切面0和縱向切面1，如圖3-7所示。

圖4 切面位置示意圖

（1）縱向切面速度矢量場(chǎng)分析

在曲軸轉(zhuǎn)角為-329°時(shí)，此刻處于進(jìn)氣階段初期，由圖5(a)可以看出，在活塞的抽吸作用下，兩股混合氣分別通過氣門進(jìn)入氣缸后，靠近氣缸壁面?zhèn)鹊臍怏w在遇到氣缸壁面之后沿著氣缸壁面向下運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離氣缸壁面的來自不同進(jìn)氣道的兩股氣流，在兩個(gè)進(jìn)氣門中間位置相遇，兩股氣流相互沖撞之后改變了原流動(dòng)方向，轉(zhuǎn)而一并向下運(yùn)動(dòng)，這股合流將燃燒室內(nèi)的流場(chǎng)分為了兩個(gè)部分，還可以看出每個(gè)氣門下方都有兩個(gè)渦團(tuán)，并兩兩相對(duì)，形成了該切面的矢量場(chǎng)關(guān)于中線對(duì)稱的狀態(tài)，圖5(b)可以看出，進(jìn)氣初期階段氣門與氣門座之間的間隙較小，氣體通過此處時(shí)流速較高，形成了高速進(jìn)氣射流，氣體進(jìn)入氣缸后靠近氣缸壁面?zhèn)鹊臍怏w沿著氣缸壁面運(yùn)動(dòng)，直到遇到活塞頂面，氣流改變?cè)瓉淼牧鲃?dòng)方向，沿著活塞頂面向氣缸中心運(yùn)動(dòng)。遠(yuǎn)離氣缸壁面?zhèn)鹊臍怏w由于慣性保持著原來的流動(dòng)方向，此刻缸內(nèi)形成了兩個(gè)較小尺度的渦團(tuán)。

圖5 不同曲軸轉(zhuǎn)角下縱向切面處流場(chǎng)速度矢量圖

在曲軸轉(zhuǎn)角為-253°時(shí)，此刻進(jìn)氣門位于最大升程位置，由圖5(c)可以看出，沿著氣缸壁面運(yùn)動(dòng)的氣體繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，在向下運(yùn)動(dòng)的過程中氣流的動(dòng)能越來越小，在此切面上進(jìn)氣射流在氣缸中心位置處被耗散殆盡，此切面的矢量場(chǎng)仍然呈對(duì)稱狀態(tài)。由圖5(d)可知，氣門與氣門座之間的間隙變大，通過氣門與氣門座之間的氣體的流速減小，沿著氣缸壁面運(yùn)動(dòng)的氣流越向下流速也越來越小，缸內(nèi)的原來的渦團(tuán)在逐漸的消散，且并未觀察到有新的渦團(tuán)出現(xiàn)。

當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為-200°時(shí)，此刻進(jìn)氣門開始向上運(yùn)動(dòng)，活塞向下運(yùn)動(dòng)，活塞對(duì)缸內(nèi)仍然有抽吸作用。如圖 5(e)所示，在切面左右上角上有兩個(gè)小渦團(tuán)，切面中部靠下的位置有兩個(gè)尺度較大一些的渦團(tuán)，它們旋向相對(duì)并關(guān)于切面中線大致呈對(duì)稱狀態(tài)。由圖 5(f)可以看出，此切面處只有一個(gè)形狀明顯的小尺度渦團(tuán)出現(xiàn)在了活塞頂面附近。

當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為-180°時(shí)，此刻進(jìn)氣門繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，活塞位于下止點(diǎn)位置，活塞不再對(duì)氣缸有抽吸作用。如圖 5(i)所示，由于慣性，缸內(nèi)的流場(chǎng)狀況和曲軸轉(zhuǎn)角為-200°時(shí)的狀況相似，但渦團(tuán)有所耗散，但形狀仍然還很明顯。由圖5(g)可知，活塞位于下止點(diǎn)時(shí)，氣門與氣門座之間不再有高速氣流通過，整個(gè)流場(chǎng)不再有成股的氣流出現(xiàn)，只在活塞面上方附近存在一些形狀不明顯的小渦團(tuán)。

由以上關(guān)于跡線的分析和縱向切面速度矢量場(chǎng)的分析可以看出，缸內(nèi)流場(chǎng)在來自不同氣門的氣體相互作用下，具有一定的對(duì)稱性，又各自有一定的獨(dú)立性。隨著氣門升程的變化，缸內(nèi)的流場(chǎng)也在逐漸的演變，局部區(qū)域出現(xiàn)了尺度大小不同的渦團(tuán)，但在進(jìn)氣階段始終沒有形成大尺度的橫軸渦流。

2.2 缸內(nèi)湍動(dòng)能分析

良好的進(jìn)氣可以增強(qiáng)缸內(nèi)的湍流強(qiáng)度，特別是在點(diǎn)火時(shí)刻前，火花塞附近如果存在強(qiáng)湍流場(chǎng)，就能促進(jìn)火核的形成并且能夠加速火焰的傳播。[7]如圖6為整個(gè)工作循環(huán)下燃燒室內(nèi)的湍動(dòng)能曲線圖，在進(jìn)氣階段初期，缸內(nèi)的湍動(dòng)能開始急劇的增大，直到曲軸轉(zhuǎn)角為-250°左右達(dá)到最大值，此刻進(jìn)氣門處于最大升程位置，之后節(jié)氣門開始向上運(yùn)動(dòng)，缸內(nèi)的湍動(dòng)能開始下降。在進(jìn)氣過程中，燃燒室內(nèi)的湍動(dòng)能主要由進(jìn)氣能量決定，隨著進(jìn)氣量的增加，進(jìn)氣射流在缸內(nèi)形成的渦團(tuán)等空氣流動(dòng)形式存儲(chǔ)的能量也越來越大。進(jìn)氣門關(guān)閉后，此時(shí)活塞在向上運(yùn)動(dòng)，缸內(nèi)氣體與氣缸壁面之間的摩擦導(dǎo)致能量耗散，湍動(dòng)能繼續(xù)不斷的降低。在點(diǎn)火時(shí)刻附近，上行的活塞將缸內(nèi)的氣體渦團(tuán)破碎成小尺度的渦團(tuán)，新產(chǎn)生的氣體渦團(tuán)的能量與湍動(dòng)能的耗散量相似，使得點(diǎn)火時(shí)刻缸內(nèi)的湍動(dòng)能下降緩慢，這樣有利于提高火焰的傳播速率。點(diǎn)火之后缸內(nèi)混合氣燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體推動(dòng)活塞做功，湍動(dòng)能呈下降趨勢(shì)。

圖6 湍動(dòng)能曲線圖

為了分析進(jìn)氣階段缸內(nèi)的湍動(dòng)能場(chǎng)，筆者從縱向切面 0和縱向切面1兩個(gè)切面對(duì)缸內(nèi)湍動(dòng)能進(jìn)行觀察分析，由圖7可知，在進(jìn)氣的初期階段，缸內(nèi)的高湍動(dòng)能區(qū)主要集中在氣閥及其附近區(qū)域和來自不同氣門氣流相遇后形成的合流區(qū)域，這與高速氣流對(duì)缸內(nèi)氣體產(chǎn)生的剪切有關(guān)。隨著活塞的下行運(yùn)動(dòng)，燃燒室的體積也在逐漸的增大，進(jìn)氣射流的流動(dòng)空間也在增加，高湍動(dòng)能區(qū)的面積隨著進(jìn)氣動(dòng)能的增加而逐漸的向燃燒室內(nèi)擴(kuò)大。在氣門最大升程位置，進(jìn)氣速度減小，進(jìn)氣流對(duì)缸內(nèi)氣體的剪切也減弱，氣門附近區(qū)域的湍動(dòng)能變小，氣缸中心處保持有較高強(qiáng)度的湍動(dòng)能。在氣門向上運(yùn)動(dòng)的過程中，缸內(nèi)的湍動(dòng)能在逐漸的衰減，缸內(nèi)湍動(dòng)能趨于均勻化。結(jié)合前面對(duì)流場(chǎng)的分析可知，氣流最大時(shí)的湍動(dòng)能并不一定是最高的，這主要是由于湍動(dòng)能是脈動(dòng)動(dòng)能，而非平均流動(dòng)能。高湍動(dòng)能區(qū)主要集中在氣體渦團(tuán)處、氣體與氣缸壁面相互作用的地方。

圖7 縱向切面湍動(dòng)能云圖

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)整個(gè)計(jì)算過程的缸內(nèi)流場(chǎng)矢量圖和湍動(dòng)能場(chǎng)的分布云圖的分析可知，高速進(jìn)氣射流對(duì)缸內(nèi)流場(chǎng)的形成起決定性的作用。

（2）高速進(jìn)氣射流是缸內(nèi)湍流的主要來源，進(jìn)氣初期缸內(nèi)的高湍動(dòng)能區(qū)主要集中在氣體剪切力作用比較明顯的區(qū)域，進(jìn)氣后期高湍動(dòng)能區(qū)主要集中在渦團(tuán)出現(xiàn)的區(qū)域。

（3）在整個(gè)進(jìn)氣過程中缸內(nèi)流場(chǎng)中高湍動(dòng)能區(qū)位置合理，有利于增加火焰?zhèn)鞑ニ俣?，提高燃燒穩(wěn)定性。

5 討論

本文通過 CFD軟件對(duì)某四氣門汽油機(jī)的進(jìn)氣階段缸內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析，并把結(jié)果與徐玉梁和孫晶晶等人的研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出了相似的結(jié)論，證明了本文采取了合理的數(shù)值模擬方法。本文還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)缸內(nèi)流場(chǎng)的模擬需要大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從而提高模擬的準(zhǔn)確度。利用數(shù)值模擬，借助較為完善的數(shù)學(xué)模型,可以對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，改變各種結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)為新發(fā)動(dòng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和舊發(fā)動(dòng)機(jī)的性能改善提供指導(dǎo)，從而簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)工作，縮短研制周期，為內(nèi)燃機(jī)研究工作的開展提供一個(gè)更為廣闊的平臺(tái)[8]。

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