湯　沛，夏基勝，劉　銳，魏民祥，貝太學(xué)TANG Pei，　XIA Ji-sheng，　LIU Rui，　WEI Min-xiang，　BEI Tai-xue（.鹽城工學(xué)院 汽車學(xué)院，鹽城 4400；.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 006）

柴油機(jī)進(jìn)氣流道流場CFD數(shù)值模擬分析

湯沛1，2，夏基勝1，劉銳2，魏民祥2，貝太學(xué)2
TANG Pei1，2，XIA Ji-sheng1，LIU Rui2，WEI Min-xiang2，BEI Tai-xue2
（1.鹽城工學(xué)院 汽車學(xué)院，鹽城 224400；2.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016）

結(jié)合三維構(gòu)形軟件UG和CFD數(shù)值模擬軟件MSC/CFDesign，建立某型柴油機(jī)原型進(jìn)氣流道三維模型，完成網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。在此基礎(chǔ)上調(diào)整了進(jìn)氣流道相對位置，對調(diào)整后的新進(jìn)氣流道的質(zhì)量流量、壓力、速度及渦量重新進(jìn)行了對比計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，新的進(jìn)氣流道的出口質(zhì)量流量比原型進(jìn)氣流道增加了20%左右，出口渦量矩增加了60%左右，該計(jì)算結(jié)果對于提高柴油機(jī)的整體性能有較大的借鑒意義。

柴油機(jī)；螺旋進(jìn)氣道；CFD；數(shù)值模擬

0　引言

柴油機(jī)的動(dòng)力指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與柴油機(jī)燃燒室的燃燒效率直接相關(guān)。燃燒室既是產(chǎn)生可燃混合氣的場所，又是燃料所具有的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的場所。燃燒室的核心任務(wù)是如何使燃燒室內(nèi)的空氣及時(shí)與相配合的噴霧燃料混合，以利于混合氣形成和燃燒過程的進(jìn)行，產(chǎn)生高的燃燒效率。柴油機(jī)的混合氣形成與燃燒是緊密相聯(lián)的，混合氣形成對燃燒過程有決定性影響［1，2］。

柴油機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)就是在限定的柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，恰如其分地處置混合氣形成方式，處置不當(dāng)會(huì)影響柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及工作噪聲和排放質(zhì)量。帶有螺旋氣道的渦流燃燒室是一種具有高燃燒效率的柴油機(jī)燃燒室，由于有規(guī)則的渦流作用，空氣與燃料得到充分混合，燃油和空氣能充分利用。螺旋氣道流動(dòng)阻力小，渦流強(qiáng)度大。進(jìn)氣道的質(zhì)量指標(biāo)除了流動(dòng)阻力外，還有渦流強(qiáng)度，要求在盡可能小的阻力下有足夠的渦流強(qiáng)度。但阻力與渦流強(qiáng)度之間有矛盾，產(chǎn)生渦流總要增加阻力，一般阻力隨渦流強(qiáng)度增加而增加［3，4］。對于組織進(jìn)氣渦流的柴油機(jī)來說，進(jìn)氣系統(tǒng)一直是個(gè)影響性的重要項(xiàng)目。

目前，大都是在試驗(yàn)臺(tái)上測量氣道的進(jìn)氣渦流強(qiáng)度和氣道阻力，以此來評(píng)價(jià)氣道的優(yōu)劣和確定進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)尺寸。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的柴油機(jī)生產(chǎn)廠家和研究所采用現(xiàn)代計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法來直接分析柴油機(jī)的進(jìn)氣流道流場，計(jì)算進(jìn)氣流道的進(jìn)氣渦流強(qiáng)度和氣道阻力。從而優(yōu)化柴油機(jī)進(jìn)氣流道，以最快的速度設(shè)計(jì)出高性能的柴油機(jī)［5，6］。因此，本文將采用MSC公司的有限元分析和仿真預(yù)測應(yīng)用軟件MSC/CFDesign進(jìn)行工程化流體計(jì)算動(dòng)力學(xué)分析，以此為柴油機(jī)氣缸進(jìn)氣流道流場分析提供參考依據(jù)。

1　氣道三維幾何模型

圖1　氣缸進(jìn)氣流道1幾何模型

在進(jìn)行柴油機(jī)氣缸進(jìn)氣流道流場分析之前，首先用CAD/CAM軟件UG建立了兩個(gè)柴油機(jī)氣缸進(jìn)氣流道幾何模型，圖1是第一個(gè)氣缸進(jìn)氣流道幾何模型，圖2是第二個(gè)氣缸進(jìn)氣流道幾何模型。這兩個(gè)氣缸進(jìn)氣流道的差別在于螺旋氣道的位置不同，第二個(gè)氣缸進(jìn)氣流道的進(jìn)口氣道方位與氣缸筒體內(nèi)圓接近于相切，而第一個(gè)氣缸進(jìn)氣流道的進(jìn)口氣道方位相對更接近于氣缸筒體中心。在此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，在設(shè)置兩個(gè)氣缸進(jìn)氣流道進(jìn)出口相對壓力相等的條件下，用計(jì)算動(dòng)力學(xué)分析軟件MSC/ CFDesign對進(jìn)氣流道幾何模型進(jìn)行流道流場對比分析計(jì)算，計(jì)算出氣缸進(jìn)氣流道的壓力、速度及渦量等參數(shù)。

把螺旋氣道最佳安放位置的進(jìn)氣渦流調(diào)整到螺旋氣道的設(shè)計(jì)位置，這對于設(shè)計(jì)一個(gè)良好的螺旋氣道來說是很重要的。用工程化流體計(jì)算動(dòng)力學(xué)分析軟件MSC/ CFDesign對氣缸進(jìn)氣流道進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算能很好地解決這一重要課題，設(shè)計(jì)出高效率的發(fā)動(dòng)機(jī)氣道。

圖2　氣缸進(jìn)氣流道2幾何模型

2　計(jì)算模型建立

有限元前后處理軟件MSC/PATRAN與CAD/CAM軟件UG的幾何模型是無縫連接，保持特征參數(shù)的相關(guān)一致性。采用MSC/PATRAN軟件導(dǎo)入用UG造型的氣缸進(jìn)氣流道幾何模型，利用PATRAN強(qiáng)大的自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能對兩個(gè)氣缸進(jìn)氣流道幾何模型分別進(jìn)行了自動(dòng)有限元網(wǎng)格的劃分。兩個(gè)氣缸進(jìn)氣流道幾何模型都采用四面體實(shí)體單元，相同單元長度，單元長度為1mm，349505個(gè)結(jié)點(diǎn)，251122個(gè)單元。計(jì)算單位采用mm-g-s制。圖3是第一個(gè)氣缸進(jìn)氣流道有限元模型，圖4是第二個(gè)氣缸進(jìn)氣流道有限元模型。氣缸進(jìn)氣流道有限元模型的邊界條件是氣缸進(jìn)氣流道入口相對壓力設(shè)置為3000Pa，氣缸進(jìn)氣流道出口相對壓力設(shè)置為0Pa。

圖3　氣缸進(jìn)氣流道1有限元模型

圖4　氣缸進(jìn)氣流道2有限元模型

3　計(jì)算工具

柴油機(jī)氣缸進(jìn)氣流道流場流動(dòng)分析采用MSC/ CFDesign工程化流體計(jì)算動(dòng)力學(xué)分析軟件，其基于現(xiàn)代有限元技術(shù)，用于分析復(fù)雜的層流、湍流和外流流體流動(dòng)及相關(guān)的熱傳導(dǎo)問題，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流體流動(dòng)及相關(guān)的熱傳導(dǎo)問題，以及共軛熱傳導(dǎo)和輻射熱傳導(dǎo)問題的。計(jì)算流體的性質(zhì)可以是變化的流體和固體特性，包括正交異性熱傳導(dǎo)率，分布阻力和多孔介質(zhì)單元。

軟件中涵蓋湍流算法及特有的自動(dòng)壁面模型、自動(dòng)湍流啟動(dòng)模型、全系列N-S方程求解器、變量分步求解過程、單調(diào)流線迎風(fēng)模式、額外的標(biāo)量轉(zhuǎn)輸方程和迭代矩陣求解方法。迭代速度快，且能有效地使用內(nèi)存，在求解方程時(shí)能使用戶通過圖形監(jiān)控窗監(jiān)控流動(dòng)及熱傳導(dǎo)方程的收斂情況。

此外，軟件中的流體模式有包括壁面函數(shù)的湍流模型、常量溫度粘性模型、k-epsilon湍流模型、RNG湍流模型、Eddy Viscosity湍流模型、不可壓縮流體、亞音速，跨音速或超音速可壓縮流動(dòng)、非牛頓流體及局限兩相體動(dòng)。具有與結(jié)構(gòu)分析相同的用戶圖形界面，流體分析結(jié)果能自動(dòng)傳遞到結(jié)構(gòu)分析中。該計(jì)算工具是解決計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)問題的最佳選擇之一。

4　計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)軟件MSC/CFDesign，本文對文章所描述的兩個(gè)進(jìn)氣流道流程進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬分析。計(jì)算時(shí)，大氣環(huán)境溫度設(shè)置為攝氏16.5℃，流體介質(zhì)為空氣。從而計(jì)算出氣缸進(jìn)氣流道的流量、壓力、速度及渦量等參數(shù)。圖5給出了兩個(gè)氣缸進(jìn)氣流道的壓力分布云圖。從圖中可以看出，進(jìn)氣流道2的壓力分布比進(jìn)氣流道1更加均勻，在接近流道出口出的壓力保持在了較高的水平，這對于進(jìn)氣流量的增加會(huì)有較大的改善。圖6為氣缸進(jìn)氣流道速度分布矢量圖，同樣地從圖中可以看出，在同等條件下，進(jìn)氣流道2在缸內(nèi)產(chǎn)生的速度分布比進(jìn)氣流道1更均勻，基本涵蓋了整個(gè)氣缸，而進(jìn)氣流道1中在某些區(qū)域則出現(xiàn)了速度為零的狀態(tài)，這對于氣流與燃料混合是不利的。

圖5　氣缸進(jìn)氣流道壓力分布云圖對比

圖6　氣缸進(jìn)氣流道速度分布矢量圖對比

圖7給出了兩個(gè)氣缸進(jìn)氣流道的出口速度矢量圖對比結(jié)果。與圖6中描述的結(jié)果一致是，進(jìn)氣流道2在出口處的速度分布明顯比進(jìn)氣流道1均勻，后者在出口處的較大區(qū)域中出現(xiàn)了速度接近于0的結(jié)果。此外，圖8給出了兩個(gè)氣缸進(jìn)氣流道渦量分布云圖。顯然地，進(jìn)氣流道2內(nèi)的整體渦量不僅比進(jìn)氣流道1的大，而且分布上更加均勻。兩種進(jìn)氣流道在缸內(nèi)反應(yīng)的渦量差別不大，因此，進(jìn)氣流道的相對位置隊(duì)柴油機(jī)進(jìn)氣影響確實(shí)很大。為此，表1給出了對兩種進(jìn)氣流道進(jìn)行計(jì)算后，得出的一些重要參數(shù)。在同等的邊界條件下，進(jìn)氣流道2的出口質(zhì)量流量、平均渦量、平均角速度及平均渦量矩相比進(jìn)氣流道1有較大提高。

圖7　氣缸進(jìn)氣流道出口速度分布矢量圖

圖8　氣缸進(jìn)氣流道渦量分布云圖對比

表1　兩種進(jìn)氣流道的主要參數(shù)

5　結(jié)束語

從兩個(gè)柴油機(jī)氣缸進(jìn)氣流道流場分析的結(jié)果可以看出，氣缸進(jìn)氣流道模型2較原氣缸進(jìn)氣流道模型1在流道流場性能參數(shù)上有較大提高。進(jìn)氣流道2出口質(zhì)量流量比比進(jìn)氣流道1增加20%左右，出口渦量矩增加了60%左右。該計(jì)算結(jié)果對于提高柴油機(jī)的整體性能有較大借鑒意義。

因此，柴油機(jī)氣缸氣道計(jì)算機(jī)流場仿真分析是一種較為快速經(jīng)濟(jì)地對發(fā)動(dòng)機(jī)氣道性能進(jìn)行評(píng)估的方法?？梢栽谳^短的時(shí)間內(nèi)對發(fā)動(dòng)機(jī)氣道出口的質(zhì)量流量、平均渦量、平均角速度和渦量矩進(jìn)行定量計(jì)算，進(jìn)而對發(fā)動(dòng)機(jī)氣道進(jìn)行優(yōu)化。在保證一定渦流強(qiáng)度的前提下，提供充足的進(jìn)氣量，使柴油充分混合燃燒，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

將通過CFD計(jì)算獲取的氣道流場數(shù)據(jù)與氣道試驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)相互對比驗(yàn)證，在取得經(jīng)驗(yàn)以后可以大大減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短把性能優(yōu)良的產(chǎn)品推上市場的研究開發(fā)周期。

［1］ 夏興蘭，陳大陸，王勝利.柴油機(jī)氣道設(shè)計(jì)的現(xiàn)代方法［J］.現(xiàn)代車用動(dòng)力，2005，03:1-6.

［2］ 杜發(fā)榮，聶建軍，高峰.基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的柴油機(jī)氣道設(shè)計(jì)流程研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2007，08:969-972.

［3］ 聶建軍，杜發(fā)榮，高峰.柴油機(jī)氣道改進(jìn)設(shè)計(jì)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程及應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，10:15-18.

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［6］ 尤國棟，蘇鐵熊，盧志國，蔡忠周，王家雄.基于數(shù)值模擬的柴油機(jī)進(jìn)氣道預(yù)測設(shè)計(jì)研究［J］.車輛與動(dòng)力技術(shù)，2008，02:49-52.

CFD numerical simulation analysis of flow field on diesel engine inlet port

TK413

B

1009-0134（2016）06-0049-03

2016-04-08

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃（KYLX_0244）

湯沛（1981 -），男，江蘇鹽城人，博士，主要從事活塞發(fā)動(dòng)機(jī)仿真計(jì)算研究工作。