秦思雨，張欣，王躍

(北京交通大學(xué)機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

環(huán)境污染與石油能源短缺已成為世界各國當(dāng)前亟待解決的兩個(gè)問題，在應(yīng)對上述問題上，氣體燃料具備很大的潛力和廣闊的應(yīng)用前景[1]。目前氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)理論尚未完全成熟，主要依靠試驗(yàn)的方法進(jìn)行研究[2]。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程相對復(fù)雜，各循環(huán)間存在較大變動(dòng)，很難限制每個(gè)工作循環(huán)中各項(xiàng)控制參數(shù)不變，試驗(yàn)結(jié)果的對比性不強(qiáng)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒機(jī)理的研究通常在模擬燃燒裝置中進(jìn)行[3]。定容燃燒彈作為發(fā)動(dòng)機(jī)模擬燃燒裝置，主要模擬發(fā)動(dòng)機(jī)活塞位于上止點(diǎn)附近時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)定容燃燒情況，可用于研究燃燒環(huán)境參數(shù)、燃空當(dāng)量比等單一參數(shù)變化對發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒壓力、火焰?zhèn)鞑サ认嚓P(guān)特性的影響，可為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)提供重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]。定容燃燒彈試驗(yàn)裝置因其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、燃燒過程火焰圖像可視化、試驗(yàn)可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛地應(yīng)用于湍流燃燒試驗(yàn)研究中[5]。

發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的湍流強(qiáng)度能夠影響氣體燃料混合特性以及燃燒特性，合理營造燃燒室內(nèi)湍流環(huán)境是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的關(guān)鍵所在[6]。因此，設(shè)計(jì)了一種新型容彈內(nèi)湍流發(fā)生系統(tǒng)，在容彈內(nèi)部產(chǎn)生持續(xù)可調(diào)控的各向均勻?qū)ΨQ湍流環(huán)境，用于湍流燃燒試驗(yàn)研究。對湍流定容燃燒彈內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，輔助湍流定容燃燒彈試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 定容燃燒彈及湍流發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 定容燃燒彈

為保證容彈內(nèi)部湍流流場的均勻?qū)ΨQ特性，定容燃燒彈為對稱結(jié)構(gòu)，定容燃燒彈彈體近似為球體。容彈的彈體內(nèi)腔直徑為200 mm，內(nèi)腔容積為6.38 L，彈體前后兩個(gè)方向留出直徑為100 mm圓柱空腔，與高透石英玻璃相配合，作為高速攝影紋影光路的通路；為保證容彈彈體完全對稱，在其余4個(gè)方向也留出100 mm的圓柱空腔。在容彈彈體上對稱加工8個(gè)直徑為12 mm的氣體入口通道，用于連接分流后的氣體管道。

1.2 湍流發(fā)生系統(tǒng)

縱觀國內(nèi)外學(xué)者用于湍流燃燒試驗(yàn)研究所采用的容彈內(nèi)湍流發(fā)生系統(tǒng)，根據(jù)產(chǎn)生湍流的原理，主要分為孔板平動(dòng)式[7-8]、進(jìn)氣射流式[9]、旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)式[10-11]、復(fù)合式四類[12]。

本研究設(shè)計(jì)的湍流發(fā)生系統(tǒng)采用進(jìn)氣射流式結(jié)合射流碰撞的方法來營造各向均勻?qū)ΨQ湍流環(huán)境。湍流發(fā)生系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、變頻器、同步聯(lián)軸器、單缸發(fā)動(dòng)機(jī)、氣體管路以及分流腔組成，定容燃燒彈及湍流發(fā)生系統(tǒng)的示意見圖1。湍流發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生可調(diào)控的各向均勻?qū)ΨQ湍流環(huán)境的原理如下：由一個(gè)雙軸伸電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器同時(shí)倒拖帶動(dòng)兩個(gè)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、氣體管路以及容彈內(nèi)腔的氣體流動(dòng)。由于單個(gè)電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與發(fā)動(dòng)機(jī)剛性連接，可以保證電動(dòng)機(jī)在帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)過程中2臺發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞位置完全同步；容彈本身結(jié)構(gòu)上對稱，且由于氣體管路以及分流腔、容彈彈體上氣體管路入口的布置完全對稱，故而氣體通過入口進(jìn)入容彈時(shí)的速度相同，氣體經(jīng)由8個(gè)對稱分布的入口以氣體射流形式在容彈中心位置相互碰撞，形成各向相對均勻?qū)ΨQ湍流環(huán)境。通過變頻器可以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而控制容彈內(nèi)部的湍流環(huán)境特征參數(shù)。

2 內(nèi)部流場數(shù)值模擬求解方法

2.1 基本方程與湍流模型

流體流動(dòng)要遵循物理守恒定律，其基本的守恒方程包括質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒方程。

質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中：t為時(shí)間；ρ為流體密度；V為流體微元的體積；u為速度向量。

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中：g為重力加速度；λ為系數(shù)；η為流體動(dòng)力黏度。

能量守恒方程：

(3)

式中：Cp為比定壓熱容；T為流體溫度；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)；Q為能量源。

在湍流模型方面，本研究選取了Realizableκ-ε模型，Realizableκ-ε模型在圓口射流模擬中能給出較好的射流擴(kuò)張角。Realizableκ-ε模型的湍動(dòng)能及耗散率輸運(yùn)方程為

(4)

(5)

式中：κ為湍動(dòng)能；ε為耗散率；Gκ為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能；Gb為由于浮力影響引起的湍動(dòng)能；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對總耗散率的影響；μt為湍流黏性系數(shù)。

湍流強(qiáng)度定義為脈動(dòng)速度分量的均方根值，針對容彈中心點(diǎn)的湍流強(qiáng)度，本研究模擬以及試驗(yàn)的湍流強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理均采用時(shí)間平均法計(jì)算湍流強(qiáng)度，計(jì)算公式為

(6)

(7)

(8)

對于湍流強(qiáng)度場的分布計(jì)算，鑒于計(jì)算成本與后處理的時(shí)間成本，采用經(jīng)驗(yàn)公式通過湍動(dòng)能來計(jì)算，其計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為

(9)

2.2 模型簡化及網(wǎng)格劃分

在湍流發(fā)生系統(tǒng)工作過程中，在單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、氣體管路、分流腔以及容彈內(nèi)腔這些區(qū)域內(nèi)存在流體流動(dòng)，故而簡化湍流發(fā)生系統(tǒng)及容彈的模型(見圖2)。

圖2 湍流定容燃燒彈計(jì)算域簡化模型

本研究選取ANSYS ICEM網(wǎng)格劃分軟件對簡化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格。單缸機(jī)燃燒室以及氣體管路總管形狀相對規(guī)則，故采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法；容彈內(nèi)部、分流腔以及分流細(xì)管結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法。簡化模型采用混合網(wǎng)格劃分方法完成劃分，總網(wǎng)格數(shù)量為1 078 049個(gè)，最小網(wǎng)格尺寸0.015 mm3，最小網(wǎng)格質(zhì)量為0.40。

2.3 動(dòng)網(wǎng)格及求解設(shè)置

因?yàn)橐M湍流發(fā)生系統(tǒng)工作中活塞的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，需要對數(shù)值模擬模型進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置。發(fā)動(dòng)機(jī)活塞部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，因其運(yùn)動(dòng)幅度較大，故采用鋪層法進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置?；钊\(yùn)動(dòng)規(guī)律采用In-cylinder模型控制，鋪層法的分離因子αs和合并因子αc都設(shè)為0.1，將定容彈兩側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頂表面指定為剛體，并將活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線賦予活塞頂表面，定義定容彈左側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞起始運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸負(fù)方向，右側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞起始運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤軸正方向?；钊\(yùn)動(dòng)規(guī)律計(jì)算公式如下：

(10)

式中：θc為曲柄角，θc=t×n；Ps為活塞位移；L為連桿長度；A為活塞行程。

生成的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞動(dòng)網(wǎng)格隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化見圖3。

圖3 基于鋪層法建立的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞動(dòng)網(wǎng)格

Fluent軟件帶有兩種求解方法：壓力基求解器和密度基求解器。本研究選取壓力基求解器，壓力修正方法采用PISO算法。簡化模型初始壓力設(shè)置為0.1 MPa，初始溫度為298 K。彈體表面、氣體管道、分流腔表面設(shè)置為非絕熱壁面邊界條件。對流動(dòng)、湍動(dòng)能和湍流耗散率等的離散格式采用二階迎風(fēng)格式。

計(jì)算步長為發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)1°所需時(shí)間，每迭代計(jì)算20次為1°曲軸轉(zhuǎn)角，計(jì)算步長的具體時(shí)間長度根據(jù)動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同而改變，以2 000 r/min為例，其計(jì)算步長為0.083 3 ms，總計(jì)算步數(shù)為30萬。在模擬計(jì)算中發(fā)動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)后8 s以上計(jì)算結(jié)果收斂，容彈內(nèi)部流場達(dá)到相對穩(wěn)定時(shí)的狀態(tài)，本文的計(jì)算結(jié)果全是在以上條件下得到的計(jì)算結(jié)果。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 系統(tǒng)內(nèi)部流場模擬結(jié)果及分析

設(shè)置In-cylinder模型控制的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，對湍流發(fā)生系統(tǒng)及容彈內(nèi)部流場的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，通過對系統(tǒng)內(nèi)部流場分布規(guī)律進(jìn)行分析，輔助指導(dǎo)湍流發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

在以下描述中，以發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)360°為一個(gè)循環(huán)，因?yàn)楸狙芯恐邪l(fā)動(dòng)機(jī)僅作為帶動(dòng)容彈內(nèi)部空氣流動(dòng)作用，類似于壓氣機(jī)，不同于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)。以活塞處于上止點(diǎn)位置時(shí)刻作為一個(gè)循環(huán)的起始，記此時(shí)的曲軸轉(zhuǎn)角為0°。

3.1.1入口速度分布規(guī)律

湍流發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，依靠2個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，再通過氣體管路的布置對稱以及容彈內(nèi)部結(jié)構(gòu)對稱實(shí)現(xiàn)在氣體通過入口進(jìn)入容彈時(shí)的速度相同，以便對稱的射流在容彈中心處碰撞形成空間上均勻?qū)ΨQ的湍流環(huán)境，故而入口處氣流速度的大小與變化規(guī)律對形成均勻?qū)ΨQ湍流環(huán)境尤為重要，是形成均勻?qū)ΨQ湍流環(huán)境的基礎(chǔ)，速度大小與容彈內(nèi)湍流的大小也有著密切聯(lián)系。

在數(shù)值模擬過程中，在容彈的8個(gè)氣體入口中心處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測該點(diǎn)在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的速度變化規(guī)律。8個(gè)入口中心點(diǎn)的氣流速度變化規(guī)律見圖4。起始時(shí)刻0°曲軸轉(zhuǎn)角為活塞位于上止點(diǎn)位置時(shí)刻。

從圖中可以看出，在轉(zhuǎn)速設(shè)為2 000 r/min時(shí)，入口速度出現(xiàn)兩次峰值，速度曲線的兩次極小值之間相隔約180°曲軸轉(zhuǎn)角，這是因?yàn)槿輳椣到y(tǒng)內(nèi)部的氣體流動(dòng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起的，其速度變化規(guī)律與發(fā)動(dòng)機(jī)活塞運(yùn)動(dòng)速度密切相關(guān)。入口速度在200°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)最小，最小值為4.2 m/s，在300°曲軸轉(zhuǎn)角左右達(dá)到最大，最大值為80.4 m/s；入口速度最大值與最小值出現(xiàn)位置并不在270°曲軸轉(zhuǎn)角與180°曲軸轉(zhuǎn)角左右，這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的不同，氣體在管路中的流動(dòng)速度不同，到達(dá)入口處的時(shí)間不同，入口速度與活塞運(yùn)動(dòng)速度存在著不同程度的滯后。在一個(gè)循環(huán)內(nèi)，任意時(shí)刻8個(gè)入口的速度基本相同，在120°曲軸轉(zhuǎn)角左右出現(xiàn)最大差值，最大差值為2.23 m/s，誤差在3.43%左右，整體變化規(guī)律趨勢吻合較好，保證了形成均勻?qū)ΨQ湍流環(huán)境的基礎(chǔ)條件。

圖4 單個(gè)循環(huán)內(nèi)8個(gè)入口氣體速度變化對比

3.1.2湍流分布規(guī)律

當(dāng)活塞位于上止點(diǎn)0°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，過容彈中心點(diǎn)XY，YZ截面的湍流場見圖5。從圖中可以看出，XY，YZ截面湍流強(qiáng)度分布規(guī)律與大小分布基本一致，空間上距中心點(diǎn)距離相同位置處湍流強(qiáng)度差值在0.2 m/s以下，即距中心點(diǎn)距離相同位置處各個(gè)方向上的湍流強(qiáng)度基本相同。湍流強(qiáng)度在空間上呈

中心對稱且分層分布的特點(diǎn)，湍流強(qiáng)度從中心到外圍球形圈逐漸減小，在中心處湍流強(qiáng)度最大，最大值為9.8 m/s，在中心半徑約為50 mm的圓形區(qū)域內(nèi)，湍流強(qiáng)度分布都在7.2 m/s以上。在實(shí)際試驗(yàn)過程中，用于拍攝的透明玻璃光路的半徑為50 mm，但由于容彈內(nèi)徑為100mm，可用于火焰?zhèn)鞑ヌ匦詤?shù)研究的直徑約為30 mm，即湍流強(qiáng)度分布在7.7～9.8 m/s的區(qū)域內(nèi)。在容彈內(nèi)部，距離中心點(diǎn)相同位置處在X，Y，Z3個(gè)方向上的湍流強(qiáng)度基本相同，湍流強(qiáng)度整體分布呈由中心分層遞減的特征，符合湍流發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷。

圖5 容彈內(nèi)部湍流場分布云圖

3.1.3湍動(dòng)能分布規(guī)律

當(dāng)活塞位于上止點(diǎn)180°時(shí)，過容彈中心點(diǎn)的XY，YZ截面的湍動(dòng)能分布云圖見圖6。從圖中可以看出，容彈內(nèi)部的湍動(dòng)能場在XY，YZ截面都呈現(xiàn)出均勻?qū)ΨQ的分層式分布特點(diǎn)，從中心位置到外圍擴(kuò)散湍動(dòng)能逐層減小，在不同方向上且距離中心點(diǎn)相同的位置點(diǎn)處湍動(dòng)能基本相同。在中心位置最大湍動(dòng)能達(dá)到145 m2/s2，在半徑30 mm的圓形區(qū)域內(nèi)湍動(dòng)能分布在90～145 m2/s2。由于氣體通過入口進(jìn)入容彈時(shí)的速度相同，8個(gè)入口對稱分布的氣體射流在容彈中心位置相互碰撞，在容彈內(nèi)部形成了均勻?qū)ΨQ的湍流場。

3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)內(nèi)部流場的影響

在試驗(yàn)過程中，需要營造不同特征參數(shù)的湍流環(huán)境以滿足不同條件下的試驗(yàn)要求。故在湍流發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，設(shè)置了電動(dòng)機(jī)的變頻器，通過調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而帶動(dòng)活塞以不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)容彈內(nèi)部湍流環(huán)境的可控調(diào)節(jié)。模擬計(jì)算了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000 r/min，1 500 r/min，2 000 r/min情況下容彈內(nèi)部的流場分布，對比分析不同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下容彈內(nèi)部的流場分布規(guī)律。

3.2.1電機(jī)轉(zhuǎn)速對入口速度的影響

不同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，一個(gè)循環(huán)內(nèi)入口速度的變化規(guī)律見圖7。起始時(shí)刻0°曲軸轉(zhuǎn)角為活塞位于上止點(diǎn)位置時(shí)刻。從圖中可以看出，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，入口速度在170°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)最小，最小值為0.6 m/s，在300°曲軸轉(zhuǎn)角左右達(dá)到最大，最大值為30.0 m/s；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，入口速度在180°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)最小，最小值為1.6 m/s，在300°曲軸轉(zhuǎn)角左右達(dá)到最大，最大值為43.7 m/s；當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，入口速度在210°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)最小，最小值為4.2 m/s，在310°曲軸轉(zhuǎn)角左右達(dá)到最大，最大值為80.4 m/s。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，入口處的最大速度隨之升高。電機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)一個(gè)循環(huán)內(nèi)平均速度為15.5 m/s，電機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r/min時(shí)一個(gè)循環(huán)內(nèi)平均速度為27.6 m/s，電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)一個(gè)循環(huán)內(nèi)平均速度為49.9 m/s，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，整體平均速度也得到了提升。另外在不同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速情況下，速度最大值以及最小值出現(xiàn)的相位也發(fā)生了變化，這是因?yàn)楫?dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)位置時(shí)，由于氣體的運(yùn)動(dòng)具有慣性，繼續(xù)由容彈內(nèi)部流向氣缸，隨后活塞運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生突變，帶動(dòng)氣體由氣缸流向容彈內(nèi)部，在入口處兩種方向的氣體相互碰撞，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速越大的情況下活塞到達(dá)下止點(diǎn)位置時(shí)的入口氣流速度越大，故而氣體流動(dòng)方向改變時(shí)(即最小速度出現(xiàn)相位)的相位相對更為滯后。

圖7 不同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速情況下入口速度變化規(guī)律

3.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速對湍流強(qiáng)度的影響

在不同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，容彈中心位置處一個(gè)循環(huán)內(nèi)湍流強(qiáng)度變化見圖8。曲軸轉(zhuǎn)角起始時(shí)刻0°為活塞位于上止點(diǎn)位置時(shí)刻。從圖中可知，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，一個(gè)循環(huán)內(nèi)容彈中心位置的湍流強(qiáng)度整體明顯提升。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，湍流強(qiáng)度在220°曲軸轉(zhuǎn)角左右時(shí)最小，最小值為0.4 m/s，在310°曲軸轉(zhuǎn)角達(dá)到最大，最大值為6.0 m/s，上止點(diǎn)0°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的湍流強(qiáng)度為4.6 m/s；在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，湍流強(qiáng)度在270°曲軸轉(zhuǎn)角左右時(shí)最小，最小值為0.5 m/s，在350°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)達(dá)到最大，最大值為8.2 m/s，上止點(diǎn)0°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)湍流強(qiáng)度為7.7 m/s；在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，湍流強(qiáng)度在310°曲軸轉(zhuǎn)角左右時(shí)最小，最小值為1.3 m/s，在20°曲軸轉(zhuǎn)角達(dá)到最大，最大值為10.3 m/s，上止點(diǎn)0°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)湍流強(qiáng)度為9.8 m/s。在實(shí)際試驗(yàn)過程中，在活塞位于上止點(diǎn)時(shí)，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，容彈中心位置的湍流強(qiáng)度也隨之升高。所以通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以調(diào)控容彈內(nèi)部湍流強(qiáng)度，符合湍流發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中容彈內(nèi)部湍流環(huán)境可調(diào)控的設(shè)計(jì)初衷。

圖8 不同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下容彈中心湍流強(qiáng)度變化規(guī)律

4 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

在試驗(yàn)過程中，運(yùn)用熱線風(fēng)速儀測量計(jì)算了容彈中心位置處的湍流強(qiáng)度，在不同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速情況下，數(shù)值模擬計(jì)算得到的湍流強(qiáng)度結(jié)果與試驗(yàn)測量計(jì)算得到的湍流強(qiáng)度結(jié)果對比見圖9。

從圖中可以看出，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，縱觀一個(gè)循環(huán)，模擬與試驗(yàn)得到的湍流強(qiáng)度變化趨勢相吻合，模擬結(jié)果湍流強(qiáng)度的最小值出現(xiàn)在220°曲軸轉(zhuǎn)角，最小值為0.4 m/s，試驗(yàn)結(jié)果湍流強(qiáng)度的最小值出現(xiàn)在230°曲軸轉(zhuǎn)角，最小值為0.26 m/s；模擬結(jié)果的湍流強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在310°曲軸轉(zhuǎn)角，最大值為6.0 m/s，試驗(yàn)結(jié)果湍流強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在280°曲軸轉(zhuǎn)角，最大值為5.8 m/s。

在電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，縱觀一個(gè)循環(huán)，模擬與試驗(yàn)結(jié)果湍流強(qiáng)度變化趨勢相吻合，模擬結(jié)果的湍流強(qiáng)度最小值出現(xiàn)在270°曲軸轉(zhuǎn)角，最小值為0.5 m/s，試驗(yàn)結(jié)果湍流強(qiáng)度的最小值出現(xiàn)在290°曲軸轉(zhuǎn)角，最小值為0.45 m/s；模擬結(jié)果湍流強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在350°曲軸轉(zhuǎn)角，最大值為8.2 m/s，試驗(yàn)結(jié)果湍流強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在310°曲軸轉(zhuǎn)角，最大值為8.37 m/s。

在電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)，縱觀一個(gè)循環(huán)，模擬與試驗(yàn)結(jié)果湍流強(qiáng)度變化趨勢相吻合，模擬結(jié)果湍流強(qiáng)度的最小值出現(xiàn)在310°曲軸轉(zhuǎn)角，最小值為1.3 m/s，試驗(yàn)結(jié)果湍流強(qiáng)度的最小值出現(xiàn)在330°曲軸轉(zhuǎn)角，最小值為1.23 m/s；模擬結(jié)果湍流強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在10°曲軸轉(zhuǎn)角，最大值為10.2 m/s，試驗(yàn)結(jié)果湍流強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在360°曲軸轉(zhuǎn)角，最大值為10.44 m/s。

由于試驗(yàn)過程中存在循環(huán)變動(dòng)，仍存在部分模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果一致性較差工況點(diǎn)，但模擬與試驗(yàn)的結(jié)果在整體上有著良好的一致性，驗(yàn)證了所建立模型的準(zhǔn)確性。

圖9 試驗(yàn)與模擬湍流強(qiáng)度結(jié)果對比

5 結(jié)束語

本研究基于Fluent軟件對一種新型湍流發(fā)生系統(tǒng)以及容彈內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，對湍流發(fā)生系統(tǒng)以及容彈內(nèi)部流場數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了分析，佐證了最初設(shè)計(jì)方案的可行性，最后用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

對于設(shè)計(jì)的湍流發(fā)生系統(tǒng)，容彈的8個(gè)氣體入口氣體速度基本一致，容彈內(nèi)部的湍流強(qiáng)度與湍動(dòng)能場呈現(xiàn)出均勻?qū)ΨQ的分層式分布特點(diǎn)，湍流強(qiáng)度及湍動(dòng)能從中心位置到外圍逐層減小，在不同方向上，距離中心點(diǎn)相同位置處的湍流強(qiáng)度與湍動(dòng)能基本相同，結(jié)果表明：湍流發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)在容彈內(nèi)部產(chǎn)生均勻?qū)ΨQ湍流環(huán)境的設(shè)計(jì)要求。

調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以改變?nèi)輳椚肟谔幍臍饬魉俣?，從而改變?nèi)輳梼?nèi)部湍流強(qiáng)度大小。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，容彈內(nèi)部湍流強(qiáng)度整體呈升高趨勢，故而通過變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)容彈內(nèi)部湍流環(huán)境可調(diào)控的設(shè)計(jì)初衷。