王亞雷 , 康健健
(河南科技職業(yè)大學(xué),河南 周口 466000)
在進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣及壓縮時(shí),體系處于復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài),且受到外界的多重作用,往往容易發(fā)生變化。在此狀態(tài)下,氣體的速度、壓力等基本參數(shù)就將處于非均勻狀態(tài)下,與時(shí)間、位置等有著緊密關(guān)系,需要結(jié)合熱力學(xué)、流體力學(xué)等領(lǐng)域的理論展開(kāi)分析。當(dāng)前,我國(guó)在柴油機(jī)氣體流動(dòng)的科研中大多采用實(shí)驗(yàn)、模擬相結(jié)合的方式。作為獲取實(shí)際數(shù)據(jù)、描述工作過(guò)程的一項(xiàng)重要手段,實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確、客觀地將氣體流動(dòng)作為一個(gè)綜合性進(jìn)程進(jìn)行表達(dá),但往往需要配備多種設(shè)備機(jī)械,且實(shí)驗(yàn)周期一般較長(zhǎng)[1]。此外,對(duì)于部分難以實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)欠缺研究手段。而數(shù)值模擬則能夠充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)分析的優(yōu)勢(shì),基于基礎(chǔ)理論得到具體的研究結(jié)果,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)形成相互對(duì)照[2]。不同于實(shí)驗(yàn),數(shù)值模擬在研究中具有突出的便捷性、時(shí)效性及經(jīng)濟(jì)性,能夠準(zhǔn)確定位影響柴油機(jī)工作的關(guān)鍵因素,進(jìn)而指導(dǎo)技術(shù)人員改進(jìn)氣體系統(tǒng)設(shè)計(jì),將產(chǎn)品的成本、性能控制在合理的范圍內(nèi)。借助數(shù)值模擬可以較為詳細(xì)且全面地獲得缸內(nèi)氣體的流動(dòng)情況,所以為了提升數(shù)值模擬的實(shí)際應(yīng)用效果,改進(jìn)柴油機(jī)設(shè)計(jì),需要明確氣體的基本參數(shù),建立與之相對(duì)應(yīng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型完成分析。
本研究選擇應(yīng)用高階差分格式來(lái)應(yīng)對(duì)其存在的缺陷。其中,考慮到二階迎風(fēng)格式能夠達(dá)到三階精度,且其在方程守恒上的控制效果比較好,所以最終選定該方法。
為了提升數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)之間的擬合性,在開(kāi)展柴油機(jī)缸內(nèi)氣體分析時(shí)需要充分考慮變量間的耦合作用,特別是在分析速度、壓力等參數(shù)時(shí)應(yīng)尤為關(guān)注。實(shí)踐表明,速度、壓力間的耦合作用比較普遍且突出,這也就導(dǎo)致氣體流動(dòng)的模擬難度較大[3]。氣體壓力是求解方程組過(guò)程中重要的基本參數(shù),但該參數(shù)不能獨(dú)立建立起一個(gè)方程進(jìn)行求解。在這樣的情況下,就需要采取一定措施來(lái)分離氣體速度及壓力之間的耦合作用,本研究采用SIMIPLE算法。
SIMIPLE算法是目前實(shí)踐中解決氣體速度與壓力耦合作用的常用方法,其主要借助半隱式法來(lái)完成求解[4]。這一算法的基本思路在于通過(guò)迭代法完成速度求解,并在速度求解方程中預(yù)先設(shè)定初始?jí)毫χ?,并通過(guò)動(dòng)量方程計(jì)算獲得影響的速度場(chǎng)。在此計(jì)算模式下,如果能夠在連續(xù)性方程中實(shí)現(xiàn)守恒,那么就表明模擬與實(shí)際能夠達(dá)成較好的擬合;如果連續(xù)性方程不能實(shí)現(xiàn)守恒,那么就表明模擬與實(shí)際不能達(dá)成較好的擬合,需對(duì)預(yù)設(shè)壓力進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,并重復(fù)上述流程,迭代至符合要求。
雖然SIMPLE算法能夠很好地適應(yīng)氣體速度與壓力的耦合問(wèn)題,但其也存在收斂性問(wèn)題,隨著實(shí)踐及研究的不斷深入,這一問(wèn)題逐步得到了改善。
由于柴油機(jī)的內(nèi)部形狀比較復(fù)雜且與各個(gè)燃燒室相連接的通道尺寸不一,這也就導(dǎo)致在劃分模型單元時(shí)需要慎重考慮。此外,柴油機(jī)缸內(nèi)氣體的速度一般較大,且伴隨存在不均勻的流場(chǎng),這對(duì)分析計(jì)算過(guò)程將帶來(lái)較為顯著的不利影響。同時(shí),為了確保數(shù)值分析結(jié)果具有足夠的精度,需要確保分析模型與實(shí)體構(gòu)件的尺寸形狀完全相同[5]。本研究借助UGNX軟件完成柴油機(jī)的建模工作,模型包括了柴油機(jī)系統(tǒng)內(nèi)外各個(gè)構(gòu)件。
根據(jù)柴油機(jī)實(shí)際構(gòu)件的形狀及尺寸,通過(guò)人工測(cè)量及繪制,通過(guò)UGNX軟件得到相應(yīng)的模型,三維實(shí)體模型如圖1所示??紤]到氣門(mén)位置處的氣體流動(dòng)比較敏感,所以在完成該位置建模時(shí)需要盡可能提升模型精度。
圖1 三維實(shí)體模型
作為影響數(shù)值分析精確度及可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié),網(wǎng)格劃分即將待解的空間劃分為單元。借助守恒方程及數(shù)學(xué)模型對(duì)微小單元進(jìn)行分析即可得出各單元內(nèi)氣體的速度[6]。本研究所分析的柴油機(jī)雖然在氣道位置幾何形狀比較簡(jiǎn)單,但在接口處往往存在較多的幾何變換,并對(duì)氣流的敏感性較為突出,所以在劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)當(dāng)特別注意這些位置的單元優(yōu)化。模擬過(guò)程包括了柴油機(jī)的進(jìn)氣與壓縮兩個(gè)環(huán)節(jié),且會(huì)伴隨產(chǎn)生氣門(mén)、活塞空間位置的變化,因此網(wǎng)格也就會(huì)出現(xiàn)變動(dòng)。
在完成模型建立與網(wǎng)格劃分后,如果想要得到準(zhǔn)確、可靠的分析結(jié)果,則需要確定合適的求解條件,主要包括了邊界條件及初始條件兩大類。其中,初始條件也即柴油機(jī)缸內(nèi)氣體的初始速度、壓力、溫度等基本參數(shù),如有必要,不同區(qū)域的初始條件可根據(jù)實(shí)際情況分別定義。在本研究中分別對(duì)缸內(nèi)、排氣管等位置賦予了不同的初始條件,其具體參數(shù)的確定可以以GT-POWER軟件仿真模擬結(jié)果為準(zhǔn)。在過(guò)去的許多研究中,為了簡(jiǎn)化工作量,初始條件及邊界條件依賴于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定,這也會(huì)在一定程度上導(dǎo)致結(jié)果的偏差。而在仿真軟件的支持下,則能夠顯著提升參數(shù)的客觀性,確保溫度、壓力等參數(shù)能夠被控制在合理的范圍內(nèi),并以此來(lái)描述實(shí)際工作中氣體的狀態(tài)。由此可以發(fā)現(xiàn),GT-POWER得到的初始條件對(duì)于改善數(shù)值模擬水平而言有著積極意義。
邊界條件主要包括了氣體的物理邊界及傳熱系數(shù)等,對(duì)于流場(chǎng)計(jì)算起著關(guān)鍵影響。由于邊界條件的內(nèi)容比較繁雜且受到多重因素的影響,因此需要根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的邊界條件[7]。在本研究的數(shù)值模擬分析中,邊界條件應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮固定壁面、流動(dòng)邊界及壓力邊界等。
1)壓力進(jìn)出口邊界條件。在進(jìn)出口邊界條件時(shí),AVL FIRE給定了許多不同的定義方法,柴油機(jī)內(nèi)的氣體實(shí)際速度難以得到準(zhǔn)確的數(shù)值,但進(jìn)出口位置的壓力參數(shù)卻可獲得比較精準(zhǔn)的數(shù)值,所以選用壓力作為進(jìn)出口的邊界條件。具體來(lái)看,進(jìn)出口位置的壓力即在給定的邊界上靜壓的具體數(shù)值。此外,還需要充分考慮到溫度對(duì)氣體的影響,一般通過(guò)控制進(jìn)氣道溫度來(lái)達(dá)到控制效果。由于進(jìn)出口與氣缸之間存在不可忽視的距離,因此溫度邊界可粗略看作不變量進(jìn)行處理,具體值可由GT-POWER通過(guò)仿真模擬得出。
2)固定壁面邊界條件。數(shù)值模擬時(shí)一般可將壁面邊界看作流體運(yùn)動(dòng)的物理邊界,并以此構(gòu)建邊界條件。在分析流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí),壁面碰撞是不可忽略的一項(xiàng)因素,且其對(duì)模擬分析的影響往往十分突出[8]。特別是在壁面附近區(qū)域,速度、壓力等基本參數(shù)往往會(huì)發(fā)生顯著的變化,因此就需要充分重視這一影響,借助準(zhǔn)確、可靠的壁面邊界條件來(lái)描述物理邊界,并以此判斷模型建立是否合理。對(duì)于柴油機(jī)的不同組成部分,其壁面邊界條件往往不同,需要予以區(qū)分對(duì)待[9]??紤]到壁面對(duì)于流體溫度及速度等參數(shù)存在影響,因此其也并非定值。壁面的溫度選用絕熱條件,壁面的速度選用無(wú)滑移邊界條件,在確定壁面速度邊界條件時(shí)需要考慮到邊界層的影響,所以本研究選用湍流壁面律來(lái)完成處理。
3)其他邊界條件。為了定義連接或分離的網(wǎng)格邊界,一般可借助附加邊界的方法進(jìn)行處理。
在數(shù)值模擬中,將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速定義為2 600 r/min,以此運(yùn)算得到流場(chǎng)的速度、壓力以及動(dòng)能分布。本研究重點(diǎn)在于壓縮時(shí)的流場(chǎng)狀態(tài),因此進(jìn)氣過(guò)程則可以用簡(jiǎn)略形式進(jìn)行描述。此外,在345°CA~350°CA的過(guò)程中,由于氣門(mén)升程始終處于較小的水平,因此分析可以將350°CA作為始點(diǎn)。為了簡(jiǎn)化分析說(shuō)明,可將正截面看作經(jīng)過(guò)氣門(mén)中心線與缸蓋頂面垂直的截面;將側(cè)截面看作經(jīng)過(guò)渦流室中心線與缸蓋頂面垂直的截面[10]。
圖2即為柴油機(jī)優(yōu)化前后缸內(nèi)充量的比對(duì)圖。根據(jù)圖中曲線可以發(fā)現(xiàn),優(yōu)化前后缸內(nèi)充量的變化趨勢(shì)基本重合,而改進(jìn)后曲線在初期略高于原柴油機(jī)。而在下止點(diǎn)之前的區(qū)段內(nèi),優(yōu)化前后缸內(nèi)充量的曲線相差不大,可視為重合進(jìn)行處理。而在排氣門(mén)關(guān)閉后,缸內(nèi)充量則變?yōu)槎ㄖ???傮w來(lái)看,優(yōu)化處理對(duì)于缸內(nèi)充量而言有著一定的提升效果。
圖2 缸內(nèi)充量變化
圖3即為柴油機(jī)優(yōu)化前后缸內(nèi)平均溫度的比對(duì)圖。根據(jù)圖中曲線可以發(fā)現(xiàn),優(yōu)化前后缸內(nèi)平均溫度的變化趨勢(shì)基本重合,而改進(jìn)后曲線在初期略高于原柴油機(jī)。而在后續(xù)區(qū)段內(nèi),優(yōu)化前后缸內(nèi)充量的曲線相差不大,可視為重合進(jìn)行處理。
圖3 缸內(nèi)平均溫度變化
圖4即為柴油機(jī)優(yōu)化前后缸內(nèi)平均壓力的比對(duì)圖。根據(jù)圖中曲線可以發(fā)現(xiàn),優(yōu)化前后缸內(nèi)平均壓力的曲線基本重合。
圖4 缸內(nèi)平均壓力變化
圖5即為柴油機(jī)優(yōu)化前后缸內(nèi)平均湍動(dòng)能的比對(duì)圖。根據(jù)圖中曲線可以發(fā)現(xiàn),進(jìn)氣階段優(yōu)化后的湍動(dòng)能存在較為顯著的變化,整體呈現(xiàn)出現(xiàn)上升后下降的趨勢(shì)。同時(shí),原柴油機(jī)的曲線也存在類似變化趨勢(shì),但相對(duì)緩和。
圖5 缸內(nèi)平均湍動(dòng)能變化
總體來(lái)看,本研究結(jié)合柴油機(jī)實(shí)例,基于FIRE軟件對(duì)進(jìn)氣及壓縮進(jìn)程完成了模擬,并進(jìn)一步得到了缸內(nèi)氣體的速度、溫度機(jī)壓力等基本參數(shù)的變化趨勢(shì)。同時(shí),以此為基礎(chǔ)對(duì)原柴油機(jī)進(jìn)行優(yōu)化,調(diào)整其連接通道及配氣相位。對(duì)優(yōu)化前后柴油機(jī)的模擬結(jié)果進(jìn)行分析,可以得出以下結(jié)論:
1)經(jīng)優(yōu)化處理后的柴油機(jī)缸內(nèi)充量會(huì)發(fā)生略微增長(zhǎng),這也表明優(yōu)化處理后的配氣相位角有助于為氣缸提供更為充足的進(jìn)氣量。
2)根據(jù)平均壓力及平均溫度曲線的比對(duì)分析可以發(fā)現(xiàn),改進(jìn)配氣相位角對(duì)于缸內(nèi)溫度及壓力的影響較為微弱,可視為基本相同。
3)根據(jù)缸內(nèi)平均湍動(dòng)能的比對(duì)分析可以發(fā)現(xiàn),進(jìn)氣環(huán)節(jié)中經(jīng)優(yōu)化處理后的缸內(nèi)湍動(dòng)能將發(fā)生比較顯著的變化,使得缸內(nèi)氣流更加不穩(wěn)定。
4)借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析軟件能夠較為有效地模擬柴油機(jī)缸內(nèi)氣體的流動(dòng),有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)。