馬宏偉,賀 象,張晶輝,徐春龍,劉 勝

(1.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)熱力國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191；2.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，大同 037036)

前言

合理組織內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)改善燃燒、提高熱效率和工質(zhì)利用率以及降低污染排放和噪聲具有重要意義。要提高內(nèi)燃機(jī)性能，首先要求對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣道和缸內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)有充分認(rèn)識(shí)。

氣缸內(nèi)流動(dòng)呈現(xiàn)強(qiáng)三維性、有旋性和非定常性，這給缸內(nèi)流場(chǎng)的精確測(cè)量造成了很大困難。過去國(guó)內(nèi)對(duì)于內(nèi)燃機(jī)實(shí)驗(yàn)研究主要采用傳統(tǒng)的穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)測(cè)量流量系數(shù)和渦流比[1-2]，但這只能檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能，不能獲得對(duì)氣缸內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)的直觀認(rèn)識(shí)，進(jìn)而探索發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)機(jī)理。文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[6]中將熱線風(fēng)速儀、LDA等多種單點(diǎn)測(cè)量手段應(yīng)用于氣缸內(nèi)流動(dòng)研究，但是能夠提供的流場(chǎng)信息比較有限。近年來，PIV等高科技測(cè)試技術(shù)開始應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的研究[7-9]，并且獲得了非常詳細(xì)的流場(chǎng)信息，但PIV設(shè)備昂貴，測(cè)量裝置復(fù)雜。

氫氣泡流場(chǎng)顯示技術(shù)[10]是近幾十年發(fā)展起來的流動(dòng)顯示技術(shù)，跟隨性好、分辨率高，既可作定性觀察又能作定量測(cè)量，適用于湍流和旋渦等非定常流動(dòng)的研究。與其它測(cè)量技術(shù)相比，氫氣泡流場(chǎng)顯示技術(shù)所花費(fèi)的代價(jià)相對(duì)較小、實(shí)驗(yàn)周期也比較短，而且能更直觀地觀察各種復(fù)雜的旋渦流動(dòng)的演化。本文中采用氫氣泡流場(chǎng)顯示技術(shù)，在進(jìn)氣道進(jìn)口布絲發(fā)泡，并通過高清攝像機(jī)記錄流動(dòng)圖像，從而獲得詳細(xì)的氣門出口射流、氣缸內(nèi)旋渦流場(chǎng)信息。

1 試驗(yàn)裝置

為了能夠通過流場(chǎng)顯示技術(shù)觀測(cè)到進(jìn)氣道內(nèi)和缸內(nèi)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，選用透明有機(jī)玻璃材料，采用數(shù)控加工保證模型氣道與原型相同。在氣道進(jìn)口安裝收縮轉(zhuǎn)接段，以保證來流均勻。缸筒采用有機(jī)玻璃管，長(zhǎng)度為2.5倍氣缸直徑。在回流式水洞中組裝、搭建流場(chǎng)顯示試驗(yàn)裝置，如圖1所示。由于缸筒左邊是敞開的，故下文中將氣缸頂面，即氣缸蓋底面稱為“缸底”。

根據(jù)相似理論，本文的水洞模擬實(shí)驗(yàn)的主要相似準(zhǔn)則只有雷諾數(shù)。實(shí)際上，真實(shí)的內(nèi)燃機(jī)氣缸內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)為充分發(fā)展的湍流狀態(tài)，流動(dòng)處于“第二自模區(qū)”，這表明雷諾數(shù)大于第二臨界值。當(dāng)模型和原型均處于“第二自模區(qū)”時(shí)，此時(shí)流動(dòng)狀態(tài)和流速分布不再變化而彼此相似，模型和實(shí)物的雷諾數(shù)不必保持相等，模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果就可用到原型中去。因此，本文中實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)水洞輪機(jī)轉(zhuǎn)速來改變進(jìn)氣道進(jìn)口流速，以保證氣道進(jìn)口雷諾數(shù)大于第二臨界雷諾數(shù)。

在氣道進(jìn)口布置5根0.1mm的銅絲，連接電源陰極，陽(yáng)極連接碳棒。通過電解水在陰極產(chǎn)生氫氣泡，其直徑約為發(fā)泡絲直徑一半左右。使用激光片光源照亮需要觀察的流動(dòng)截面，通過高清攝像機(jī)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行拍攝，后期采用視頻軟件對(duì)拍攝素材進(jìn)行捕獲、整理，同時(shí)對(duì)流動(dòng)現(xiàn)象及其機(jī)理進(jìn)行分析，以此認(rèn)識(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。圖2給出了片光源水平打光和垂直打光位置。由圖可見：水平打光時(shí)，通過一個(gè)氣門的軸線；垂直打光時(shí)，同時(shí)通過兩個(gè)氣門的軸線；另外，也對(duì)氣缸橫截面進(jìn)行打光，研究缸內(nèi)旋渦流動(dòng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

選取9.4(最大升程)、7和3mm 3種氣門升程時(shí)的缸內(nèi)流動(dòng)圖像進(jìn)行分析。結(jié)果如圖3～圖14所示。為符合一般習(xí)慣，將影像圖和水平與垂直截面流動(dòng)示意圖的氣缸豎直放置；而氣缸橫截面流動(dòng)示意圖則按圖2的方位標(biāo)示。

2.1 最大氣門升程狀態(tài)下缸內(nèi)流動(dòng)

圖3(a)為最大氣門升程下氣門出口射流，進(jìn)氣道出口射流沿氣門切向流出，在射流與氣門下方形成一個(gè)尺寸較大逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的旋渦。左邊缸壁、缸底和射流圍成的區(qū)域存在點(diǎn)源，流體從片光照射平面下方向上流動(dòng)。另外，氣門座內(nèi)明顯存在較小分離，對(duì)進(jìn)氣道出口可能產(chǎn)生一定堵塞。圖3(b)給出了同一截面缸內(nèi)滾流流場(chǎng)。右側(cè)氣門出口離缸壁很近，射流撞擊缸壁后，一部分流體會(huì)偏轉(zhuǎn)流向氣門下方，形成一個(gè)大的回流渦。從圖中來看，在旋渦下游，右側(cè)氣泡跡線比左側(cè)長(zhǎng)，表明右側(cè)流速整體上要大于左側(cè)。因而，在左、右兩股流動(dòng)匯合時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生小尺度的非定常旋渦脈動(dòng)，如圖4所示距缸底約70mm位置。

圖5為垂直打光截面流動(dòng)圖像和流動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。從圖5(a)可以看出，兩氣門之間噴出一股速度較大的射流，在射流兩側(cè)形成一對(duì)旋渦。其中上方旋渦尺寸較大，即圖4所示氣門底部的回流渦和圖5(b)所示左側(cè)氣門下方的旋渦。在射流另一側(cè)形成的旋渦尺度相對(duì)較小，與缸壁射流形成一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的渦結(jié)構(gòu)，見圖5(b)右側(cè)氣門下方。

為了進(jìn)一步觀察缸內(nèi)的渦流運(yùn)動(dòng)，對(duì)氣缸橫截面打光，觀察位置分別距離缸蓋底面10、30、50、70、90和110mm。從單幅圖像中很難觀察到缸內(nèi)旋渦結(jié)構(gòu)，只能通過錄像回放才能分辨出不同截面的渦流結(jié)構(gòu)。因而，在仔細(xì)分析流動(dòng)錄像后，繪出流動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖，以此說明橫截面缸內(nèi)渦流運(yùn)動(dòng)。圖6給出距缸底10mm位置缸內(nèi)渦流示意圖[11]。射流在缸底共形成了6個(gè)大小不同的旋渦，其中旋渦1、4、5和6是射流受到缸壁阻擋而產(chǎn)生，旋渦2和3則是兩氣道射流干涉形成。隨著截面遠(yuǎn)離缸底，旋渦尺度增大，但是旋渦強(qiáng)度減弱。圖7給出了距缸底30mm位置渦流結(jié)構(gòu)示意圖，旋渦尺度增大。在距缸底70mm位置，如圖8所示，旋渦尺度繼續(xù)增大，旋渦強(qiáng)度繼續(xù)減小，上半部分的3個(gè)旋渦不再是穩(wěn)定的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，而是間歇出現(xiàn)。在90和110mm位置，這種趨勢(shì)更加明顯。

2.2氣門升程7mm狀態(tài)下缸內(nèi)流動(dòng)

當(dāng)氣門升程減小后，氣門出口左側(cè)大旋渦明顯向左側(cè)缸壁移動(dòng)，如圖9(a)所示。圖4中出現(xiàn)點(diǎn)源的位置完全被射流形成的大旋渦所占據(jù)，射流貼著缸底向左側(cè)缸壁流動(dòng)。氣門座位置的分離仍然存在，但尺度有所減小。另外，在氣門下方，右側(cè)氣門出口射流形成的回流渦的尺度增大，如圖9(b)所示。同樣由于左、右兩側(cè)流速相差較大，在距缸底70mm截面位置出現(xiàn)間歇形成的非定常的小尺度旋渦脈動(dòng)。

從垂直打光截面來看，圖10和圖5所示的流動(dòng)結(jié)構(gòu)相差不大。由于氣門升程減小，進(jìn)氣道出口流速有所減小，因而，中間射流在兩側(cè)形成的旋渦的影響范圍縮小。氣門下方形成的對(duì)轉(zhuǎn)旋渦離缸底更近。

在7mm氣門升程狀態(tài)下，距缸底10mm位置氣缸橫截面流動(dòng)(未附圖)與最大升程狀態(tài)下相差不大。同樣，距缸底30mm位置橫截面流動(dòng)，7mm氣門升程(見圖11)和最大氣門升程狀態(tài)下流動(dòng)結(jié)構(gòu)類似，其主要區(qū)別在于3號(hào)位置渦結(jié)構(gòu)非定常間歇性產(chǎn)生。在距缸底50mm截面位置的流動(dòng)如圖12所示，上半部分非定常渦流脈動(dòng)比較明顯，并沒有出現(xiàn)穩(wěn)定的旋渦結(jié)構(gòu)，下半部分則形成尺度較大的穩(wěn)定旋渦結(jié)構(gòu)。圖13為距缸底70mm位置截面流動(dòng)示意圖，上、下兩部分形成旋轉(zhuǎn)方向相反的渦流運(yùn)動(dòng)，旋渦尺度很大但強(qiáng)度較低。

2.3 氣門升程3mm狀態(tài)下缸內(nèi)流動(dòng)

當(dāng)氣門升程進(jìn)一步減小至3mm時(shí)，進(jìn)氣道內(nèi)流速明顯降低，氣門出口射流強(qiáng)度較弱，但是，整體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)仍與7mm升程狀態(tài)下相似。水平截面流場(chǎng)(未附圖)與圖9類似，左側(cè)缸壁與缸底角區(qū)旋渦尺度和強(qiáng)度進(jìn)一步減小。垂直截面的流動(dòng)如圖14所示，氣門下方渦結(jié)構(gòu)最大影響范圍距離缸底約30mm，形成了兩對(duì)旋渦結(jié)構(gòu)，類似于文獻(xiàn)[11]中所示的渦結(jié)構(gòu)。

對(duì)于氣缸橫截面流場(chǎng)，距缸底30mm位置流動(dòng)結(jié)構(gòu)與7mm氣門升程情況下50mm位置相似，見圖12。在距缸底僅50mm位置就出現(xiàn)了雙渦結(jié)構(gòu)，與圖13所示的示意圖類似。

3 結(jié)論

(1) 采用氫氣泡流場(chǎng)顯示試驗(yàn)技術(shù)，獲得了氣缸內(nèi)渦流、滾流等旋渦流動(dòng)圖像，并總結(jié)了缸內(nèi)旋渦流動(dòng)結(jié)構(gòu)，為內(nèi)燃機(jī)內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)的研究提供了一種簡(jiǎn)單有效的試驗(yàn)方法。

(2) 不同氣門升程下，缸內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)整體上趨于一致；距離缸底越近，射流所形成的旋渦數(shù)目越多，旋渦強(qiáng)度也較大；遠(yuǎn)離缸底，小旋渦逐漸匯合形成尺度較大的旋渦，但是強(qiáng)度有所減小，并最終演變成對(duì)稱的雙渦結(jié)構(gòu)(除了最大升程狀態(tài))。

(3) 氣門升程越小，氣門出口流速越低，射流強(qiáng)度減弱，因而，所形成的滾流和渦流的尺度和強(qiáng)度也降低，雙渦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的位置離缸底越近。

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