張瀟揚(yáng)，任洪娟，孫裴，周梓桐，李超，朱祉彧，毛翼華

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，上海 201620）

在內(nèi)燃機(jī)中，進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)對(duì)缸內(nèi)氣體的流動(dòng)與燃燒過(guò)程具有關(guān)鍵作用，通過(guò)影響缸內(nèi)氣體速度分布、進(jìn)氣量和湍動(dòng)能，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性。然而，節(jié)能賽車(chē)對(duì)于經(jīng)濟(jì)型與動(dòng)力性又有著更高的要求，需要在這兩者之間找到一個(gè)更加精確的平衡點(diǎn)。因此，進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)于提升節(jié)能賽車(chē)的成績(jī)有著至關(guān)重要的作用。對(duì)于汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，進(jìn)氣道分為兩種，直氣道和切向氣道，描述兩種進(jìn)氣道性能的參數(shù)皆為流量系數(shù)和滾流比。

由于進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)法通過(guò)不斷改變實(shí)際進(jìn)氣道內(nèi)部結(jié)構(gòu)并通過(guò)試驗(yàn)得到較高的流量系數(shù)，較低的滾流阻力和適當(dāng)強(qiáng)度的進(jìn)氣渦流。為了減少實(shí)驗(yàn)工作，我們通過(guò)硅膠翻模和3D 掃描技術(shù)將得到的點(diǎn)云通過(guò)UG 建立進(jìn)氣道模型，并通過(guò)Fluent 對(duì)進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能檢驗(yàn)，對(duì)缺陷部分進(jìn)行模型改進(jìn)并通過(guò)仿真分析進(jìn)行性能預(yù)測(cè)。分析不同氣門(mén)升程下，缸內(nèi)氣體速度、壓力和湍流強(qiáng)度變化。

1 進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)模型建立（圖1）

硅膠倒模、3D 掃描、UG 逆向建模。

進(jìn)氣道-氣門(mén)-氣缸。

2 控制方程

利用Fluent 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道與缸內(nèi)氣體流場(chǎng)包括：氣體質(zhì)量、動(dòng)量、能量守恒及狀態(tài)方程。本身發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程為可壓縮三維非定常流并伴隨有摩擦與發(fā)熱現(xiàn)象。為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，我們采用時(shí)均方程加湍流模型k-ε 方程的方法。

圖1 進(jìn)氣道三維模型

2.1 質(zhì)量守恒方程

2.2 動(dòng)量守恒方程

2.3 能量守恒方程

2.4 選用k-ε 湍流方程

對(duì)于模型有很高的計(jì)算精度，能達(dá)到預(yù)期效果。

3 邊界條件設(shè)定

采用固定壁面邊界，假定為絕熱的，無(wú)滑移，邊界層采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壁面溫度邊界設(shè)為定溫293.15K。選擇初始化模式為有勢(shì)場(chǎng)。進(jìn)出口邊界取壓力差3kPa，即進(jìn)口為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，總壓設(shè)為100kPa；出口取靜壓97kPa。氣道內(nèi)氣體的流動(dòng)是三維可壓縮黏性流動(dòng)，氣流成分取標(biāo)準(zhǔn)空氣。壓力為98kPa，密度為31.164 81kg/m，我們選擇中心差分法對(duì)流動(dòng)方程進(jìn)行離散求解。

4 進(jìn)氣速度計(jì)算

且Lsinβ=Rsinα

所以sinβ=Rsinα/L=λsinα （R/L=λ）

所 以cosβ= √(1-sin2β)= √（1-λ2sin2α）≈1-(1/2)λ2sin2α

（ 因(1/4)λ4sin4α幾乎為零，可帶入√(1-λ2sin2α)內(nèi)，分解為√(1-(1/2)λ2sin2α)2）

且sin2α=(1-cosα)/2

所以cosβ=(1/4)λ2(1-cos2α)

所以有滑塊運(yùn)行距離：

滑塊的速度V 為

進(jìn)氣速度：

V’=ωR(S 缸/S 進(jìn))（比例約為2.8）

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)部分參數(shù)

表2 不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣速度

5 模型處理與網(wǎng)格劃分

先通過(guò)硅膠倒模導(dǎo)出進(jìn)氣道內(nèi)腔模型，通過(guò)3D 掃描得到進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)，通過(guò)UG 建立進(jìn)氣道模型對(duì)氣門(mén)處過(guò)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，通過(guò)四邊形網(wǎng)格與六邊形網(wǎng)格對(duì)進(jìn)氣道實(shí)體模型進(jìn)行劃分，并對(duì)不同部分進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格化建立。

由不通氣門(mén)升程下，缸內(nèi)速度矢量分布圖可以看出氣門(mén)座內(nèi)側(cè)（下口處），出現(xiàn)了明顯的壓力集中現(xiàn)象，在氣道轉(zhuǎn)彎處缸壁下方出現(xiàn)壓降現(xiàn)象，氣門(mén)處也出現(xiàn)壓降現(xiàn)象，這是由于氣道在轉(zhuǎn)彎處過(guò)渡不平順，氣流流經(jīng)此處時(shí)速度產(chǎn)生分離，局部形成渦流狀態(tài)引起的阻力損失。在氣門(mén)處速度很大，氣流流通面積小,產(chǎn)生壓降速度最快。

6 進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在保證進(jìn)氣道截面積不變的情況下，對(duì)進(jìn)氣道喉口下側(cè)部位進(jìn)行優(yōu)化，稍微縮小，減小下側(cè)的進(jìn)氣量，同時(shí)將進(jìn)氣道部分曲面優(yōu)化更加平滑，增加結(jié)構(gòu)的平順性。

7 數(shù)據(jù)處理

為了比較不同幾何參數(shù)的進(jìn)氣道的性能，本文用無(wú)量綱流量系數(shù)評(píng)價(jià)不同氣門(mén)升程下進(jìn)氣道流通性能的好壞，用無(wú)量綱滾流比評(píng)價(jià)不同氣門(mén)升程下氣道形成滾流的能力，并采用avl 評(píng)價(jià)方法。

流量系數(shù)：在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道數(shù)值模擬計(jì)算中，無(wú)量綱流量系數(shù)Cf 表示通過(guò)氣道的實(shí)際流量與理論流量之比。

對(duì)Cf 按照AVL 標(biāo)準(zhǔn)氣門(mén)升程曲線進(jìn)行積分計(jì)算，求得積分后的流量系數(shù)稱為平均流量系數(shù)Cfm：

式中：cactual為活塞實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度，m/s；caverage為活塞平均運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

滾流比：在數(shù)值模擬計(jì)算中，假定缸內(nèi)流場(chǎng)平均軸向速度等于活塞平均速度，則滾流比TR 為

對(duì)TR 按照AVL 標(biāo)準(zhǔn)氣門(mén)升程曲線進(jìn)行積分計(jì)算，稱為平均滾流比TRfm

圖2 滾流比

由圖可知，適當(dāng)減小喉口下側(cè)進(jìn)氣量，增大進(jìn)氣角，使得流量系數(shù)右下幅度的增加；流量比在氣門(mén)升程處于4 ～6mm 區(qū)間中大幅度提高。

8 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)減小進(jìn)氣門(mén)座下側(cè)的進(jìn)氣量，增大進(jìn)氣角度，增大進(jìn)氣門(mén)上下側(cè)進(jìn)氣量差，提高滾流比。（2）通過(guò)增加氣門(mén)座處的平順性，來(lái)減少進(jìn)氣阻力，獲得更高的流量系數(shù)。