張亮峰，劉明偉

（湖南工程學院 機械工程學院，湘潭411101）

0 引 言

在螺旋氣道的設計中應用現(xiàn)代設計方法，關鍵在于實現(xiàn)氣道的三維造型設計與氣體流動數(shù)值模擬.真正意義上的計算機輔助設計，不僅是指實現(xiàn)三維造型設計，更重要的是建立性能與設計參數(shù)之間的定量關系，達到設計方案的優(yōu)化，而這一點對于柴油機氣道來說要通過氣體流動數(shù)值模擬來實現(xiàn).只有實現(xiàn)了參數(shù)化的造型設計，才能方便快捷地生成多種不同的設計方案.結(jié)合氣體流動數(shù)值模擬計算這一有效手段，才可以進行從初步設計到模擬計算，經(jīng)分析、改進再進行計算的設計迭代，進而探索優(yōu)化問題，真正實現(xiàn)螺旋氣道的計算機輔助設計.

目前工程領域中常用的數(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，但就其實用性和應用的廣泛性而言，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)點連接.單元內(nèi)部點的待求量可由單元節(jié)點量通過選定的函數(shù)關系插值求得.由于單元形狀簡單，易于由平衡關系或能量關系建立節(jié)點量之間的方程式，然后將各個單元方程“組集”在一起而形成總體代數(shù)方程組，計入邊界條件后即可對方程組求解.單元劃分越細，計算結(jié)果就越精確.

本文所研究的柴油機氣道是螺旋氣道，因為螺旋氣道對直噴柴油機組織空氣運動、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)復雜性，以往都是利用實驗的方法，改變氣道、進氣門以獲得高的流量系數(shù)，較低的進氣阻力和適當強度的進氣旋流，隨著研究的深入，人們愈來愈希望能夠了解氣道內(nèi)氣體流動的細致情況；探求氣道幾何形狀對氣體流動狀況的影響規(guī)律；從而對所設計的氣道的性能進行預測，并從理論上提出其改進和優(yōu)化的方向.本文即是利用CAE技術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為基礎構(gòu)建氣道流體實體模型，并利用通用的幾何標準將模型導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)格對每部分進行分網(wǎng)處理.按照三種進出口壓力差、大中小三種氣門升程共計五種工況對氣道內(nèi)流動進行了分析.使用ANSYS的后處理模塊對計算結(jié)果進行處理，得到了氣道內(nèi)、氣道出口的速度分布、紊流動能分布等結(jié)果，采用動量矩流率對渦流水平進行了評定，并對氣道提出了改進的方法.

1 Pro／E建模

從已發(fā)表的一些文獻中可以看到，氣道三維造型設計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雜性，使其暴露一定的不足之處，主要是導向部分與氣道室部分較難以光滑過渡，同時使設計自由度受到限制.對于采用計算機輔助設計技術后的氣道設計規(guī)律的研究與探討在目前相關的文獻中很少見到.

在設計中采用Pro／E建模，首先提供柴油機汽缸蓋的二維AutoCAD設計圖樣和尺寸及技術要求.根據(jù)圖樣和相關尺寸，提取機蓋上螺旋氣道的有關參數(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).關于產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換與描述的國際標準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)學方法，因此對于氣道的外形描述也應采用這一方法.雖然功能有弱有強，但是目前許多CAD軟件都已經(jīng)具備了應用具體問題的能力.對于外形復雜的螺旋氣道，應解決難以整體生成理想的氣道外形的問題以及設計自由度的限制與建模過程復雜化的矛盾.

在開展的螺旋氣道參數(shù)化設計的研究中，所應用的CAD軟件為Pro／E，共用了151個參數(shù)來描述螺旋氣道，通過布爾運算建立氣道的實體模型.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，導致了欠光滑性方面的缺陷與對設計自由度的限制，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)設計生成的模型還需進一步的修改和完善.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的流體流動情況，ANSYS中的二方程紊流模型可計及在平均流動下的紊流速度波動的影響.如果流體的密度在流動過程中保持不變或者當流體壓縮時只消耗很少的能量，該流體就可認為是不可壓縮的，不可壓縮流的溫度方程將忽略流體動能的變化和粘性耗散.

（3）熱分析：流體分析中通常還會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，要在同時包含流體區(qū)域和非流體區(qū)域（即固體區(qū)域）的整個區(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致流體密度分布的不均勻性，從而引起流體的流動，與強迫對流問題不同的是，自然對流通常都沒有外部的流動源.

（4）可壓縮流分析：對于高速氣流，由很強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對于這種流動情況會使用不同的解算方法.

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

（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，它也可用于研究有多種流體同時存在（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，一個層流分析可以是傳熱的或者是絕熱的，一個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)動機螺旋氣道的建模，再采用ANSYS軟件對其進行CFD數(shù)值模擬分析.

2.2 確定分析區(qū)域，進行CFD分析

2.2.1 速度影響

通過將建模參數(shù)導入ANSYS軟件運行，獲得螺旋氣道一系列氣流狀態(tài)圖（圖2所示）和參數(shù).從整個流道來看，速度一直增大，一方面因為壓差對氣流的加速作用，另一方面因為直流道段進口截面積比較大，出口截面明顯縮小，引起了氣流的加速運動.

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，存在一個阻流區(qū).斜坡段壁面對進氣流動的阻滯作用，產(chǎn)生了局部的流動損失.

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.

雖然沒有進行氣缸內(nèi)流動模擬，但通過氣門出口情況，可以簡單估計一下氣缸內(nèi)的流動.在氣道中產(chǎn)生螺旋運動的氣流通過氣門開啟截面，以旋轉(zhuǎn)的椎形射入氣缸.由于進氣射流從氣門外緣分離.同時進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)生了順時針方向的旋渦.由于氣門下面回流區(qū)的影響以及進氣射流與氣缸壁的相互作用，缸內(nèi)速度分布應該很不均勻，但隨著氣流往氣缸出口運動，不均勻程度會有所改善.

最終影響燃油與空氣摻混質(zhì)量的渦流應該是由于螺旋氣道內(nèi)產(chǎn)生的角動量和氣缸內(nèi)進氣射流碰撞氣缸壁產(chǎn)生的角動量相結(jié)合，在氣缸內(nèi)形成復雜的旋流運動.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)作切向運動的同時又不斷向出口流動.由于斜坡壁面對氣流切向運動的阻滯作用，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速度參照，用以驗證以上結(jié)論.

2.2.2 氣道出口速度分布特性

標準情況下，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，故流量分布也應該具有相應的性質(zhì)，即靠氣道外側(cè)的流量也較大.這是因為進氣流動具有－X方向的初速度，在流動過程中，自始至終會保持－X方向上的流動趨勢.此外，在氣道斜坡段和平頂段形成的渦流也使出口時已經(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.局部分離流動是產(chǎn)生動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.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，造成了流動阻力，降低了流速，應考慮兩段之間更平滑的過渡.

（1）調(diào)整關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)整設計對數(shù)使各截面上的平均流速達到基本相等.

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

（3）增大直流段氣流動量矩.因為螺旋氣道通常在中、小門升程產(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該可以改氣道性能.此外，將氣道進口截面向內(nèi)側(cè)方向移動，也會改善流速分布，同時使氣流在直流段部分形成對氣缸中心較高的動量矩，這對提高氣道流通性能與渦流強度都是有益的.

模擬計算結(jié)果表明，通過螺旋氣道進入氣缸內(nèi)的氣體流場是非常復雜的，實際上很難用一個或者幾個參數(shù)來全面、準確描述與反映出來.在缸內(nèi)這種不規(guī)則、不均勻的流場分布通過計算機模擬求得以后，如何來衡量氣道形成渦流的能力以及整個氣道的優(yōu)化準則，都是值得進一步探討的問題，例如氣道流通能力和氣道渦流強度的矛盾如何處理，如何在最大限度上發(fā)揮氣道的作用，應該做進一步的研究.實踐證明，假如增大渦流室偏心距，會使質(zhì)量流量降低，而渦流水平提高，減小螺旋角會得到相反的效果.

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