張亮峰，劉明偉

（湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭411101）

0 引 言

在螺旋氣道的設(shè)計(jì)中應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)氣道的三維造型設(shè)計(jì)與氣體流動(dòng)數(shù)值模擬.真正意義上的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，不僅是指實(shí)現(xiàn)三維造型設(shè)計(jì)，更重要的是建立性能與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的定量關(guān)系，達(dá)到設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，而這一點(diǎn)對于柴油機(jī)氣道來說要通過氣體流動(dòng)數(shù)值模擬來實(shí)現(xiàn).只有實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化的造型設(shè)計(jì)，才能方便快捷地生成多種不同的設(shè)計(jì)方案.結(jié)合氣體流動(dòng)數(shù)值模擬計(jì)算這一有效手段，才可以進(jìn)行從初步設(shè)計(jì)到模擬計(jì)算，經(jīng)分析、改進(jìn)再進(jìn)行計(jì)算的設(shè)計(jì)迭代，進(jìn)而探索優(yōu)化問題，真正實(shí)現(xiàn)螺旋氣道的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì).

目前工程領(lǐng)域中常用的數(shù)值模擬方法有：有限單元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法等，但就其實(shí)用性和應(yīng)用的廣泛性而言，主要還是有限單元法.有限單元法的基本思想是將問題的求解域劃分為一系列單元，單元之間僅靠節(jié)點(diǎn)連接.單元內(nèi)部點(diǎn)的待求量可由單元節(jié)點(diǎn)量通過選定的函數(shù)關(guān)系插值求得.由于單元形狀簡單，易于由平衡關(guān)系或能量關(guān)系建立節(jié)點(diǎn)量之間的方程式，然后將各個(gè)單元方程“組集”在一起而形成總體代數(shù)方程組，計(jì)入邊界條件后即可對方程組求解.單元?jiǎng)澐衷郊?xì)，計(jì)算結(jié)果就越精確.

本文所研究的柴油機(jī)氣道是螺旋氣道，因?yàn)槁菪龤獾缹χ眹姴裼蜋C(jī)組織空氣運(yùn)動(dòng)、解決燃油和空氣的混合問題起決定性作用.鑒于螺旋氣道的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，以往都是利用實(shí)驗(yàn)的方法，改變氣道、進(jìn)氣門以獲得高的流量系數(shù)，較低的進(jìn)氣阻力和適當(dāng)強(qiáng)度的進(jìn)氣旋流，隨著研究的深入，人們愈來愈希望能夠了解氣道內(nèi)氣體流動(dòng)的細(xì)致情況；探求氣道幾何形狀對氣體流動(dòng)狀況的影響規(guī)律；從而對所設(shè)計(jì)的氣道的性能進(jìn)行預(yù)測，并從理論上提出其改進(jìn)和優(yōu)化的方向.本文即是利用CAE技術(shù)為探索這樣途徑做的初步嘗試.通過商業(yè)化的CAD／CAM軟件Pro／E為基礎(chǔ)構(gòu)建氣道流體實(shí)體模型，并利用通用的幾何標(biāo)準(zhǔn)將模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中.將氣道分為直流段、斜坡段和平頂段三部分，采取不同的網(wǎng)格對每部分進(jìn)行分網(wǎng)處理.按照三種進(jìn)出口壓力差、大中小三種氣門升程共計(jì)五種工況對氣道內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行了分析.使用ANSYS的后處理模塊對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，得到了氣道內(nèi)、氣道出口的速度分布、紊流動(dòng)能分布等結(jié)果，采用動(dòng)量矩流率對渦流水平進(jìn)行了評(píng)定，并對氣道提出了改進(jìn)的方法.

1 Pro／E建模

從已發(fā)表的一些文獻(xiàn)中可以看到，氣道三維造型設(shè)計(jì)的一般方法是給定氣道的若干截面，再按照給定的規(guī)則整體生成外表面.這一方法對于一般的氣道可以取得很好的效果，但是由于螺旋氣道形狀的復(fù)雜性，使其暴露一定的不足之處，主要是導(dǎo)向部分與氣道室部分較難以光滑過渡，同時(shí)使設(shè)計(jì)自由度受到限制.對于采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)后的氣道設(shè)計(jì)規(guī)律的研究與探討在目前相關(guān)的文獻(xiàn)中很少見到.

在設(shè)計(jì)中采用Pro／E建模，首先提供柴油機(jī)汽缸蓋的二維AutoCAD設(shè)計(jì)圖樣和尺寸及技術(shù)要求.根據(jù)圖樣和相關(guān)尺寸，提取機(jī)蓋上螺旋氣道的有關(guān)參數(shù)，通過數(shù)據(jù)交換的形式轉(zhuǎn)化為大型軟件Pro／E圖形文件的數(shù)據(jù).關(guān)于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換與描述的國際標(biāo)準(zhǔn)STEP中把非均勻有理B樣條（NURBS）方法作為定義工業(yè)產(chǎn)品幾何形狀的唯一數(shù)學(xué)方法，因此對于氣道的外形描述也應(yīng)采用這一方法.雖然功能有弱有強(qiáng)，但是目前許多CAD軟件都已經(jīng)具備了應(yīng)用具體問題的能力.對于外形復(fù)雜的螺旋氣道，應(yīng)解決難以整體生成理想的氣道外形的問題以及設(shè)計(jì)自由度的限制與建模過程復(fù)雜化的矛盾.

在開展的螺旋氣道參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究中，所應(yīng)用的CAD軟件為Pro／E，共用了151個(gè)參數(shù)來描述螺旋氣道，通過布爾運(yùn)算建立氣道的實(shí)體模型.除了用B樣條曲線描述氣道螺旋室外輪廓，所采用的一般為初等解析曲面，導(dǎo)致了欠光滑性方面的缺陷與對設(shè)計(jì)自由度的限制，從生成的模型可以看到，特別是在螺旋室部分的連接處內(nèi)側(cè)連接得似乎不理想.參數(shù)設(shè)計(jì)生成的模型還需進(jìn)一步的修改和完善.采用Pro／E氣道建模如圖1所示.

圖1 螺旋氣道Pro／E建模

2 FLOTRAN（CFD）分析

2.1 FLOTRAN（CFD）分析的概念

FLOTRAN可對柴油機(jī)螺旋氣道執(zhí)行如下分析：

（1）層流分析：層流中的速度場都是平滑而有序的，高粘性流體（如石油等）的低速流動(dòng)就通常是層流.

（2）紊流分析：紊流分析用于處理那些由于流速足夠高和粘性足夠低從而引起紊流波動(dòng)的流體流動(dòng)情況，ANSYS中的二方程紊流模型可計(jì)及在平均流動(dòng)下的紊流速度波動(dòng)的影響.如果流體的密度在流動(dòng)過程中保持不變或者當(dāng)流體壓縮時(shí)只消耗很少的能量，該流體就可認(rèn)為是不可壓縮的，不可壓縮流的溫度方程將忽略流體動(dòng)能的變化和粘性耗散.

（3）熱分析：流體分析中通常還會(huì)求解流場中的溫度分布情況.如果流體性質(zhì)不隨溫度而變，就可不解溫度方程.在共軛傳熱問題中，要在同時(shí)包含流體區(qū)域和非流體區(qū)域（即固體區(qū)域）的整個(gè)區(qū)域上求解溫度方程.在自然對流傳熱問題中，流體由于溫度分布的不均勻性而導(dǎo)致流體密度分布的不均勻性，從而引起流體的流動(dòng)，與強(qiáng)迫對流問題不同的是，自然對流通常都沒有外部的流動(dòng)源.

（4）可壓縮流分析：對于高速氣流，由很強(qiáng)的壓力梯度引起的流體密度的變化將顯著地影響流場的性質(zhì)，ANSYS對于這種流動(dòng)情況會(huì)使用不同的解算方法.

（5）非牛頓流分析：應(yīng)力與應(yīng)變率之間成線性關(guān)系的這種理論并不能足以解釋很多流體的流動(dòng)，對于這種非牛流體，ANSYS程序提供了三中粘性模式和一個(gè)用戶自定義子程序.

（6）多組份傳輸分析：這種分析通常是用于研究有毒流體物質(zhì)的稀釋或大氣中污染氣體的傳播情況，同時(shí)，它也可用于研究有多種流體同時(shí)存在（但被固體相互隔開）的熱交換分析.

這些分析類型并不相互排斥，例如，一個(gè)層流分析可以是傳熱的或者是絕熱的，一個(gè)紊流分析可以是可壓縮的或者是不可壓縮的.

依據(jù)Pro／E對柴油發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋氣道的建模，再采用ANSYS軟件對其進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析.

2.2 確定分析區(qū)域，進(jìn)行CFD分析

2.2.1 速度影響

通過將建模參數(shù)導(dǎo)入ANSYS軟件運(yùn)行，獲得螺旋氣道一系列氣流狀態(tài)圖（圖2所示）和參數(shù).從整個(gè)流道來看，速度一直增大，一方面因?yàn)閴翰顚饬鞯募铀僮饔?，另一方面因?yàn)橹绷鞯蓝芜M(jìn)口截面積比較大，出口截面明顯縮小，引起了氣流的加速運(yùn)動(dòng).

在直流段和斜坡段的過度部分，速度明顯減小，說明在此處由于氣流突然轉(zhuǎn)向，存在一個(gè)阻流區(qū).斜坡段壁面對進(jìn)氣流動(dòng)的阻滯作用，產(chǎn)生了局部的流動(dòng)損失.

在螺旋流道中，速度矢從截面上部向出口方向逐漸增大，且在頂壁附近存在負(fù)的軸向速度分量.產(chǎn)生這種分布的原因是由于在斜坡段流出的氣流在平頂段頂壁附近產(chǎn)生了脫離，形成旋渦.

圖2 柴油機(jī)螺旋氣道氣流CFD分析

速度矢量從截面上部向出口方向逐漸增大，其中軸向分量增大較快.由于斜坡頂面拐向出口，因此速度矢量依次增大，其中主要是軸向速度分量Vz增大.

雖然沒有進(jìn)行氣缸內(nèi)流動(dòng)模擬，但通過氣門出口情況，可以簡單估計(jì)一下氣缸內(nèi)的流動(dòng).在氣道中產(chǎn)生螺旋運(yùn)動(dòng)的氣流通過氣門開啟截面，以旋轉(zhuǎn)的椎形射入氣缸.由于進(jìn)氣射流從氣門外緣分離.同時(shí)進(jìn)氣射流又從氣門邊緣分離，從而在缸蓋底平面下左側(cè)產(chǎn)生了順時(shí)針方向的旋渦.由于氣門下面回流區(qū)的影響以及進(jìn)氣射流與氣缸壁的相互作用，缸內(nèi)速度分布應(yīng)該很不均勻，但隨著氣流往氣缸出口運(yùn)動(dòng)，不均勻程度會(huì)有所改善.

最終影響燃油與空氣摻混質(zhì)量的渦流應(yīng)該是由于螺旋氣道內(nèi)產(chǎn)生的角動(dòng)量和氣缸內(nèi)進(jìn)氣射流碰撞氣缸壁產(chǎn)生的角動(dòng)量相結(jié)合，在氣缸內(nèi)形成復(fù)雜的旋流運(yùn)動(dòng).氣缸出口處的小旋渦將逐漸與主旋渦融合，形成單一方向的旋渦.由如圖2所示，可以從圖中明顯看出在直流段部分的速度分量Vy、Vz都很小，但由于直流道截面是漸縮的，因此速度分量Vx逐漸增大.之后，氣流在螺旋流道內(nèi)作切向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)又不斷向出口流動(dòng).由于斜坡壁面對氣流切向運(yùn)動(dòng)的阻滯作用，Vx很快減小.而氣流在螺旋流道中自然產(chǎn)生離心力方向的分速度Vy，在斜坡段內(nèi)Vy較大.氣流進(jìn)入平頂段之后，只有分速度Vz保持比較大，而速度Vx、Vy都下降很快.

隨著壓差變小，最大速度也相應(yīng)變小，原因在于壓差對氣流的加速作用，氣流的勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，但由于流道的阻流作用，并且速度越大，阻流作用越大，所以這種加速作用并不十分明顯.且最大速度僅作為一個(gè)速度參照，用以驗(yàn)證以上結(jié)論.

2.2.2 氣道出口速度分布特性

標(biāo)準(zhǔn)情況下，出口速度分布如圖3所示.在出口處，速度沿出口圓周的分布是不均勻的，即靠流道外側(cè)的流速較大，故流量分布也應(yīng)該具有相應(yīng)的性質(zhì)，即靠氣道外側(cè)的流量也較大.這是因?yàn)檫M(jìn)氣流動(dòng)具有－X方向的初速度，在流動(dòng)過程中，自始至終會(huì)保持－X方向上的流動(dòng)趨勢.此外，在氣道斜坡段和平頂段形成的渦流也使出口時(shí)已經(jīng)不是精確地沿軸線對稱.并且，通過俯視圖可見，在出口截面上，呈現(xiàn)順時(shí)針方向的渦流.

圖3 氣道出口速度分布

3 結(jié) 論

消除或減輕氣道壁面附近出現(xiàn)的局部分離流動(dòng).局部分離流動(dòng)是產(chǎn)生動(dòng)阻力的主要原因之一.在了解氣道內(nèi)詳盡的流速分布之后，就可以克服盲目性，有針對性地修改氣道外形，消除或減輕有害的局部分離流動(dòng).在直流段和斜坡段交界處氣流速度明顯降低，甚至出現(xiàn)了輕微的回流，造成了流動(dòng)阻力，降低了流速，應(yīng)考慮兩段之間更平滑的過渡.

（1）調(diào)整關(guān)鍵截面上的流速分布.檢查在氣道斜坡段、平頂段部分垂直于通過氣門中心的若干垂直截面上的平均流速，通過調(diào)整設(shè)計(jì)對數(shù)使各截面上的平均流速達(dá)到基本相等.

（2）調(diào)整氣道出口處的流速分布，包括其方向和大小.在需要同時(shí)兼顧流通性能和渦流強(qiáng)度時(shí)，必須考慮采用這一措施.

（3）增大直流段氣流動(dòng)量矩.因?yàn)槁菪龤獾劳ǔＴ谥小⑿￠T升程產(chǎn)生較高的渦流，而切向氣道能在大氣門升程產(chǎn)生較高的渦流，因此將直流段頂邊改為俯沖形狀應(yīng)該可以改氣道性能.此外，將氣道進(jìn)口截面向內(nèi)側(cè)方向移動(dòng)，也會(huì)改善流速分布，同時(shí)使氣流在直流段部分形成對氣缸中心較高的動(dòng)量矩，這對提高氣道流通性能與渦流強(qiáng)度都是有益的.

模擬計(jì)算結(jié)果表明，通過螺旋氣道進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣體流場是非常復(fù)雜的，實(shí)際上很難用一個(gè)或者幾個(gè)參數(shù)來全面、準(zhǔn)確描述與反映出來.在缸內(nèi)這種不規(guī)則、不均勻的流場分布通過計(jì)算機(jī)模擬求得以后，如何來衡量氣道形成渦流的能力以及整個(gè)氣道的優(yōu)化準(zhǔn)則，都是值得進(jìn)一步探討的問題，例如氣道流通能力和氣道渦流強(qiáng)度的矛盾如何處理，如何在最大限度上發(fā)揮氣道的作用，應(yīng)該做進(jìn)一步的研究.實(shí)踐證明，假如增大渦流室偏心距，會(huì)使質(zhì)量流量降低，而渦流水平提高，減小螺旋角會(huì)得到相反的效果.

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