王海洲， 沙學(xué)鋒， 鄒家平

（1.吉林大學(xué)交通學(xué)院，吉林長春 130022；2.裝甲兵技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，吉林長春 130117）

0 引 言

在柴油機(jī)工作過程中，進(jìn)氣質(zhì)量是影響其性能的重要條件之一。在這一過程中，進(jìn)氣道流通特性的好壞對氣缸內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、燃料的霧化效果、燃料與空氣的混合程度和燃燒過程產(chǎn)生重要的影響［1］，最終影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性［2］。國內(nèi)外學(xué)者主要通過對進(jìn)氣道的外形結(jié)構(gòu)、截面尺寸以及進(jìn)氣道的排列布置對缸內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行研究［3－4］，通過傳統(tǒng)的穩(wěn)流試驗(yàn)得出結(jié)論，但并不能充分反映發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)進(jìn)氣道瞬態(tài)空氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)［5］。

近幾年，仿生非光滑表面的應(yīng)用以其特有的減阻效果被人們所重視，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，如具有“鯊魚皮表面”的泳衣，可以減小7%的阻力，從而提高運(yùn)動(dòng)員的速度，高爾夫球凹坑表面設(shè)計(jì)減小了表面的阻力系數(shù)，從而使球體飛的更遠(yuǎn)等［6－7］。因此，文中提出將仿生非光滑表面應(yīng)用于柴油機(jī)螺旋進(jìn)氣道內(nèi)表面，將兩者相結(jié)合來改善進(jìn)氣質(zhì)量。通過fluent軟件，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行瞬態(tài)CFD數(shù)值模擬，分析其對缸內(nèi)氣體質(zhì)量流率以及缸內(nèi)空氣流速的影響，驗(yàn)證其對進(jìn)氣道流通特性的影響。

1 仿生非光滑表面進(jìn)氣道模型建立

1.1 仿生非光滑單元體的尺寸設(shè)計(jì)

仿生非光滑表面的減阻通過破壞邊界層的內(nèi)部流動(dòng)，控制邊界層對湍動(dòng)能的影響，減小速度梯度對邊界層內(nèi)空氣流速的影響和能量的損失，進(jìn)而提高了進(jìn)氣道軸線處即核心區(qū)域的流速，邊界層厚度計(jì)算公式［8］為：

式中：d——進(jìn)氣道直徑；

Re——雷諾系數(shù)；

λ——沿程阻力系數(shù)；

v——流體速度；

ν——流體的運(yùn)動(dòng)黏度；

D——?dú)飧字睆剑?/p>

S——活塞行程；

n——發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

S1——進(jìn)氣道進(jìn)口處的截面積。

根據(jù)計(jì)算，文中選用單元體尺寸直徑為4 mm，深度為1 mm的凹坑和凸包。

1.2 進(jìn)氣道模型的建立

采用柴油機(jī)螺旋進(jìn)氣道模型，其原型為一汽－大柴發(fā)動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 一汽－大柴柴油發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

通過catia軟件對柴油機(jī)螺旋進(jìn)氣道進(jìn)行三維建模，選取發(fā)動(dòng)機(jī)氣門為6，8，10 mm 3個(gè)升程。通過對仿生非光滑表面相關(guān)文獻(xiàn)的研究和計(jì)算，選取凸包、凹坑兩種減阻效果較好的仿生單元體，將其與原進(jìn)氣道模型相結(jié)合，如圖1所示。

圖1 3種表面進(jìn)氣道三維模型的建立

2 動(dòng)網(wǎng)格劃分方法

動(dòng)網(wǎng)格模型是在每一個(gè)時(shí)間步迭代之前，根據(jù)邊界或物體的運(yùn)動(dòng)、變形更新和重新構(gòu)建計(jì)算域的網(wǎng)格，從而達(dá)到計(jì)算各種非定常流體與固體的耦合、計(jì)算域隨時(shí)間變化的問題。

2.1 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

進(jìn)氣道穩(wěn)態(tài)CFD數(shù)值模擬在柴油機(jī)進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中得到了廣泛的應(yīng)用，但實(shí)際工作的進(jìn)氣過程是一個(gè)瞬態(tài)的過程，柴油機(jī)的活塞和氣門時(shí)刻保持著運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且氣缸的工作容積也在不停的變化，只考慮穩(wěn)態(tài)的進(jìn)氣過程并不能充分反映進(jìn)氣道和缸內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)情況。相比于進(jìn)氣道穩(wěn)態(tài)CFD分析，動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)具有更好的幾何靈活性；通過控制網(wǎng)格尺寸變化來模擬運(yùn)動(dòng)過程；通過自適應(yīng)加密和劃分網(wǎng)格以進(jìn)行數(shù)值模擬分析，從而更真實(shí)地反映進(jìn)氣過程中由于氣門的運(yùn)動(dòng)對進(jìn)氣道和缸內(nèi)氣體流動(dòng)的影響。

2.2 動(dòng)網(wǎng)格控制方程

應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格模擬柴油機(jī)工作時(shí)氣缸邊界發(fā)生位移的動(dòng)態(tài)效果，采用動(dòng)網(wǎng)格守恒方程進(jìn)行求解［9］，其控制方程為：

其中，時(shí)間導(dǎo)出項(xiàng)用一節(jié)向后差分格式表示為：

時(shí)間導(dǎo)數(shù)為：

式中：ρ——密度；

U——速度向量；

Uδ——?jiǎng)泳W(wǎng)格位移速度；

?！獢U(kuò)散系數(shù)；

n——時(shí)間層；

nf——控制體面積；

Aj——面積向量。

2.3 計(jì)算網(wǎng)格生成

使用gambit軟件對原模型和擁有凹坑、凸包非光滑表面的進(jìn)氣道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證網(wǎng)格劃分質(zhì)量和實(shí)驗(yàn)精度要求，設(shè)置網(wǎng)格最小尺寸為1.2 mm；按照動(dòng)網(wǎng)格劃分要求，對進(jìn)氣道部分和氣缸上部采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，活塞運(yùn)動(dòng)掃過的氣缸部分采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 進(jìn)氣道模型的網(wǎng)格劃分

3 進(jìn)氣道進(jìn)氣過程瞬態(tài)模擬及數(shù)值分析

3.1 fluent邊界條件的設(shè)置

在fluent軟件中設(shè)置流體狀態(tài)為非穩(wěn)態(tài)，流體為理想氣體，選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型作為湍流方程；進(jìn)氣道入口設(shè)置為inlet；邊界條件為壓力入口，壓力為99 350 Pa；固體壁面邊界設(shè)置為絕熱；在動(dòng)網(wǎng)格劃分方法中選用彈性平滑方法、動(dòng)態(tài)分層方法、局部重畫法；發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)數(shù)選取1 000，1 500，2 000，2 500 r／min；參照氣門升程的參數(shù)設(shè)置進(jìn)氣過程的曲軸轉(zhuǎn)角；沖程和曲柄連桿的長度及相關(guān)參數(shù)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.2 進(jìn)氣道出口處截面速度分析

從CFD的運(yùn)行結(jié)果來看，進(jìn)氣道內(nèi)的空氣流速一直呈增長趨勢，其主要原因，一方面為進(jìn)氣道的前后段壓差不同產(chǎn)生了加速作用，另一方面因?yàn)檫M(jìn)氣道截面面積變化較大，出口截面相比于進(jìn)口面積縮小，促使了氣流的加速運(yùn)動(dòng)；在螺旋氣道中，流速從螺旋上部向出口方向逐漸增大，由于斜坡面拐向出口，速度矢量逐漸增大。在出口處繞氣門軸線做螺旋運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過氣門開啟截面后，氣體以旋轉(zhuǎn)錐形進(jìn)入氣缸，氣流在氣門外緣處分離。由于氣門下面存在回流區(qū)，且進(jìn)入氣缸的空氣不斷地與缸壁發(fā)生碰撞，導(dǎo)致缸內(nèi)速度分布不均勻。但隨著氣流的向下運(yùn)動(dòng)和流速的逐漸平穩(wěn)，不均勻程度逐漸改善。

發(fā)動(dòng)機(jī)在4種轉(zhuǎn)速下，原模型與帶有仿生非光滑表面的進(jìn)氣道模型在進(jìn)氣道出口處的最大速度見表2～表5。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)1 000 r／min時(shí)進(jìn)氣道出口處最大速度m／s

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)1 500 r／min時(shí)進(jìn)氣道出口處最大速度m／s

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)2 000 r／min時(shí)進(jìn)氣道出口處最大速度m／s

表5 發(fā)動(dòng)機(jī)2 500 r／min時(shí)進(jìn)氣道出口處最大速度m／s

從分析可以看出，相比于原進(jìn)氣道模型，帶有仿生非光滑表面的進(jìn)氣道改善了進(jìn)氣道內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)提高了進(jìn)入氣缸內(nèi)空氣的運(yùn)動(dòng)速度，且凸包模型對速度的提高影響較大。相比于帶有凸包表面的進(jìn)氣道模型，由于仿生單元體尺寸選取的局限性影響，凹坑模型僅在一定的氣門升程下，提高了進(jìn)氣道內(nèi)氣體的速度。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作在2 000 r／min時(shí)，氣門升程分別在6 mm，8 mm，10 mm下，不同模型的缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)的速度云圖如圖3～圖5所示。

圖3 氣門升程6 mm時(shí)3種模型進(jìn)氣過程的速度云圖

圖4 氣門升程為8 mm時(shí)3種模型進(jìn)氣過程的速度云圖

圖5 氣門升程為10 mm時(shí)3種模型進(jìn)氣過程的速度云圖

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，帶有仿生非光滑表面的進(jìn)氣道顯著地提高了缸內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)速度，改善了缸內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

3.3 進(jìn)氣道截面處質(zhì)量流率分析

通過分析在Y＝5 mm氣缸截面處的質(zhì)量流率發(fā)現(xiàn)，在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，仿生非光滑表面進(jìn)氣道對進(jìn)入缸內(nèi)氣體的質(zhì)量流率都有提升，見表6～表9。

表6 發(fā)動(dòng)機(jī)1 000 r／min時(shí)Y＝5 mm處氣缸截面處的質(zhì)量流率 kg／s

表7 發(fā)動(dòng)機(jī)1 500 r／min時(shí)Y＝5 mm處氣缸截面處的質(zhì)量流率 kg／s

表8 發(fā)動(dòng)機(jī)2 000 r／min時(shí)Y＝5 mm處氣缸截面處的質(zhì)量流率 kg／s

表9 發(fā)動(dòng)機(jī)2 500 r／min時(shí)Y＝5 mm處氣缸截面處的質(zhì)量流率 kg／s

帶有凹坑表面的進(jìn)氣道，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 300 r／min時(shí)，對質(zhì)量流率的提升達(dá)到了0.89%，相比于帶有凸包表面的進(jìn)氣道，其提升效果不明顯。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r／min時(shí)，凸包模型的提升幅度達(dá)到了8.64%，且在各個(gè)轉(zhuǎn)速下的提升效果均為明顯。其主要原因?yàn)楫?dāng)氣流流過凸包表面時(shí)，凸包單元體之間相互影響，凸包表面邊界層對進(jìn)氣道內(nèi)的氣流產(chǎn)生了分離作用，有效控制了動(dòng)量交換過程。但在仿真模擬的過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)氣道入口處空氣流速較低時(shí)，由于仿生單元體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，低速空氣與凸包模型入口處的凸起部分接觸產(chǎn)生回流，最終導(dǎo)致出口處的質(zhì)量流率降低。

4 結(jié) 語

根據(jù)仿生非光滑表面減阻的原理，選取了凹坑和凸包兩組仿生單元體將其與柴油機(jī)螺旋進(jìn)氣道結(jié)合，通過動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和CFD數(shù)值模擬，分析其對進(jìn)氣流速和質(zhì)量流率的影響，得出以下結(jié)論：

1）通過動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)2 000 r／min時(shí)的瞬態(tài)工況，在同氣門開度下，仿生非光滑表面可以提高進(jìn)氣流速和質(zhì)量流率。

2）仿生非光滑表面對進(jìn)氣道內(nèi)氣體的運(yùn)動(dòng)速度和質(zhì)量流率，受單元體的選型和氣門升程的大小影響較大。

3）相比于原進(jìn)氣道模型帶有凸包的進(jìn)氣道模型在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，在氣門升程為6 mm和10 mm時(shí)，對進(jìn)氣流速和質(zhì)量流率有顯著的提高。

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