魏明銳 周昌祁 文 華 李 程 王海良

（武漢理工大學汽車工程學院1） 武漢 430070） （現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室2） 武漢 430070）（南昌大學機電工程學院2） 南昌 330031）

0 引 言

進氣道的設(shè)計是發(fā)動機開發(fā)過程中的重點與難點.進氣道的傳統(tǒng)設(shè)計方法是采用經(jīng)驗設(shè)計和穩(wěn)流試驗相結(jié)合，利用木?；蚴嗄Ｔ诜€(wěn)流試驗臺上不斷試驗和優(yōu)化，確定氣道的形狀，根據(jù)氣道形狀設(shè)計二維圖紙，最終制造模具，用于生產(chǎn).這一開發(fā)過程最大的弊端就是必須要有一個原型樣件作參考，這將大大制約缸蓋設(shè)計工程師對發(fā)動機的全新設(shè)計.理想的氣道開發(fā)流程應(yīng)為：三維造型→優(yōu)化改進→抽氣試驗→快速成型，氣道的三維造型設(shè)計模擬沒有過多束縛，可根據(jù)相關(guān)的邊界條件自由設(shè)計.設(shè)計更改時只要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，對不滿足產(chǎn)品要求的數(shù)據(jù)進行調(diào)整，直至最終確定符合性能的最佳氣道形狀［1］，設(shè)計和制造周期大大縮短.

本文使用KIVA作為仿真工具，它具有2個主要特點：（1）KIVA程序采用非正交結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可以是任意六面體.計算網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的生成相對麻煩，但容易對控制方程進行離散，且求解精度比非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格要高；（2）其源程序是開放的.研究者可在其原有模型的基礎(chǔ)上使其更完善或更適用于某一特定的情況.

1 數(shù)學模型

1.1 氣流運動的控制方程

KIVA軟件通過對質(zhì)量、動量、能量守恒方程和RNG－κ－ε湍流模型等偏微分方程在時間和空間上進行離散，求得具有物理意義的數(shù)值解，從而獲得對流場細節(jié)的描述.考慮到活塞為運動邊界，故采用任意拉格朗日－歐拉法（ALE）進行變網(wǎng)格流體計算.ALE在時間上采用一階向前差分和空間上采用有限體積方法來離散控制方程組［2－3］.

質(zhì)量方程為

式中：ρm為第m種組分的密度；ρ為總密度；D為擴散系數(shù)；上標c為化學反應(yīng)的源項；上標s為噴霧源項，下同；δml為Kronecker算子.

動量守恒方程為

式中：a為PGS（pressure gradient scaling）系數(shù)，用于在低馬赫數(shù)情況下增加計算的收斂速度；κ為湍流動能；σ為湍流粘性應(yīng)力張量；常數(shù)A0＝

能量守恒方程為

式中：J為熱流量和分別為化學反應(yīng)放熱源項和噴霧放熱源項.

κ方程為

有關(guān)的詳細方程論述可參考文獻［4］.

1.2 邊界條件

本文計算區(qū)域的邊界包括進出口邊界和固體壁面邊界.（1）進出口采用壓力邊界條件（入口壓力為100kPa，出口壓力為93kPa）；（2）固壁邊界：固壁的溫度采用絕熱邊界，固壁的速度采用無滑移邊界，邊界層速度采用湍流壁面律邊界.

2 氣道幾何模型的建立

模擬條件是基于AVL的發(fā)動機氣道穩(wěn)流實驗條件，氣缸長度為2.5D（D為缸徑），網(wǎng)格：15萬～20萬個六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格［5］.由于氣道閥口形狀對流動很敏感，此區(qū)域?qū)訇P(guān)鍵流域，建模一定要精確，故在氣缸蓋內(nèi)和閥門附近對網(wǎng)格進行了加密.模型見圖1.

3 KIVA動態(tài)網(wǎng)格的實現(xiàn)

與其他CFD軟件不同，KIVA只需要發(fā)動機一個位置的網(wǎng)格即可實現(xiàn)整個循環(huán)的計算，活塞與氣門運動過程中對網(wǎng)格的影響通過snap和rezone來調(diào)整，見圖2.其中，snap：實現(xiàn)網(wǎng)格層的自動增加和刪減；rezone：對氣門運動引起的網(wǎng)格拉伸變形進行重整，保證網(wǎng)格的規(guī)則.

圖1 幾何模型

圖2 動態(tài)網(wǎng)格的實現(xiàn)

應(yīng)用 FAME［6－7］技術(shù)，自動生成六面體網(wǎng)格，氣門與氣缸套內(nèi)壁最近點距離只有1.5mm，局部網(wǎng)格規(guī)模i×j×k為0.2mm×0.2mm×0.2 mm.氣門升程1mm時，氣門最小流通截面至少要有6層網(wǎng)格，以保證模擬計算時氣流能夠順利流過此截面，此時局部網(wǎng)格規(guī)模i×j×k為0.1 mm×0.1mm×0.1mm.不同氣門升程下（1～10 mm）分別對氣道－氣缸劃分網(wǎng)格.

4 流量及流通系數(shù)的計算

4.1 流通系數(shù)

流通系數(shù)的定義為

式中：阻隔系數(shù)δ＝Fv／FP；f為流量系數(shù)；mv為實際流量.理論流量為

4.2 計算結(jié)果分析

圖3分別是不同氣門升程下進氣道的流通系數(shù)隨氣門升程的變化曲線.由圖知，隨著氣門升程的增大流通系數(shù)迅速增大.這是由于氣門升程加大，流通面積增大和進氣阻力的減小.當氣門升程接近最大時，流通系數(shù)增加率變小，其主要原因是：此時氣道與氣缸的壓差很小，同時氣缸內(nèi)滾流等氣體運動強度卻加大，進氣阻力變大.

圖3 不同氣門升程流通系數(shù)變化曲線圖

圖4 為不同氣門升程下氣門軸線截面上的壓力分布情況.圖4a）表明，當氣門剛開啟時，在氣門附近氣道壓力迅速下降，其原因是：此時氣道與氣缸存在巨大壓力差.圖4b）表明當氣門升程加大，氣道內(nèi)壓力急劇下降，氣缸壓力迅速上升，最終兩者壓力逐漸接近.在氣門桿頭部（即1處）和氣門與氣門桿連接處（即2處），氣體受到阻滯，導(dǎo)致局部壓力升高.

圖4 不同氣門升程氣門軸線截面壓力場

圖5 為不同氣門升程下氣門軸線截面上的速度分布情況.由圖5a）可見，當氣門升程較小時，氣體最大速度在氣門喉口位置.氣體進入氣缸后，從氣缸蓋到氣缸底速度逐漸減小，主要原因是氣流進入氣缸基本上都是繞氣缸壁運動，越往下運動，氣體受到的摩擦阻力就越大.由圖5b）可見，在燃燒室與氣缸蓋的結(jié)合處（即3處），氣體受到阻滯，氣流的流動速度明顯下降，氣體流動變向.少量氣流在氣門迎風側(cè)與缸蓋之間（即4處）與被氣門擋回來的進氣交匯，形成高強度的湍流.在氣流受阻部位，湍流能較大是減少充氣量的重要原因.因此，應(yīng)盡可能避免在此區(qū)域設(shè)計氣道.

圖5 不同氣門升程氣門軸線截面速度場

圖6 為不同氣門升程氣缸中心線截面速度分布情況.圖6表明，進氣有很強的滾流，它有利于燃油和空氣的混合.在進氣門的下方（即5處）出現(xiàn)速度較低的“混合死角”，這不利于氣體混合和燃燒的充分進行.

圖6 不同氣門升程氣缸中心線截面速度場

圖7 為垂直Z軸（缸蓋下5.0mm處）的截面的速度分布情況.圖7表明，由于結(jié)構(gòu)上的對稱性，氣體進入氣缸后，與缸壁相撞而擠向兩側(cè)，在水平截面上流場表現(xiàn)為對稱分布、旋向相反的雙渦結(jié)構(gòu).隨著氣門升程的增大，對稱大渦逐漸破碎形成尺度更小、速度更大的渦，由此可以得出，進氣道產(chǎn)生的渦流對缸內(nèi)氣體的混合有著明顯的促進作用.

圖7 垂直Z坐標截面速度場

5 不同數(shù)值模擬工具模擬結(jié)果的對比

由于缺少實驗條件，故用Fire的模擬結(jié)果來比較.二者在相同的邊界和模型條件下模擬計算的，結(jié)果見表1.由表1可知，KIVA的模擬結(jié)果與Fire的模擬結(jié)果基本相同.由于Fire計算網(wǎng)格數(shù)達70多萬個，而KIVA的計算網(wǎng)格數(shù)才10多萬個，故在計算成本上，KIVA有明顯的優(yōu)勢.

表1 流量系數(shù)的KIVA模擬值與Fire模擬值的比較

［1］Bassem H.Ramadan numerical simulations in a high swirl methanol－fueled irectly－Injected nngine［J］.SAE Technical Paper，2003（1）：132.

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［3］顧維東，楊延相，蔡曉林，等.FAI二沖程直噴汽油機缸內(nèi)流場多維數(shù)值模擬［J］.內(nèi)燃機學報，2007，25（2）：152－155.

［4］魏明銳.二甲醚發(fā)動機的霧化理論和實驗研究［D］.武漢：華中科技大學，2004.

［5］陶文銓.數(shù)值傳熱學［M］.2版.西安：西安交通大學出版社，2003.

［6］Laimbock F J，Meister G，Grilc S.CFD application in compact engine development［J］.SAE Transactions，1998，107（3）：1 998－2 004.

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