(論文)汽油機(jī)進(jìn)氣道的三維cfd分析最新優(yōu)秀畢業(yè)論文資料搜集嘔血奉獻(xiàn)

汽油機(jī)進(jìn)氣道的三維 CFD 分析 摘要：利用三維流體動(dòng)力學(xué)軟件 AVL-Fire，對(duì)某四氣門汽油機(jī)的進(jìn)氣道進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模 擬計(jì)算。對(duì)進(jìn)氣門不同升程的氣道及缸內(nèi)流體的流線、速度、湍流動(dòng)能以及流量系數(shù)進(jìn)行分析 與評(píng)價(jià)，介紹缸內(nèi)滾流形成過(guò)程，所得結(jié)論可為四氣門汽油機(jī)進(jìn)氣道設(shè)計(jì)開發(fā)及改進(jìn)提供理論 依據(jù)。 關(guān)鍵詞：汽油機(jī)；進(jìn)氣道；渦流；滾流；流量系數(shù) 隨著燃油噴射技術(shù)在汽油機(jī)領(lǐng)域的廣 泛應(yīng)用，對(duì)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)的研究顯得愈來(lái) 愈重要，缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)汽油機(jī)燃油混合 和燃燒過(guò)程有重要影響,并進(jìn)而影響到發(fā)動(dòng) 機(jī)的性能和排放水平,而發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的流 動(dòng)特性在很大程度上決定缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng) 狀況1。進(jìn)氣道及缸內(nèi)氣體流動(dòng)是三維、非 定常、伴隨有傳熱和摩擦等現(xiàn)象的可壓縮 氣體流動(dòng)，隨著非結(jié)構(gòu)化CFD計(jì)算方法的 成熟，可以分析從氣道到缸內(nèi)的流動(dòng)，計(jì) 算精度可達(dá)5%以內(nèi)2。本文應(yīng)用AVL-Fire 軟件對(duì)氣道氣門缸內(nèi)實(shí)體模型進(jìn)行三 維數(shù)值計(jì)算，通過(guò)分析和評(píng)價(jià)不同進(jìn)氣門 升程下氣道氣門缸內(nèi)的氣體流動(dòng)特 性，為氣道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供理論依 據(jù)。 1 氣道三維數(shù)值模擬 1.1 幾何模型及其網(wǎng)格劃分 汽油機(jī)進(jìn)氣道的 ProE 幾何模型以 STL 格式導(dǎo)入 AVL-Fire，抽取空氣的流域面且 使其封閉，氣缸的長(zhǎng)度在 AVL 試驗(yàn)中取為 2.5D（D 為氣缸直徑） ，氣道前端的長(zhǎng)方體 容積起到穩(wěn)壓的作用，然后運(yùn)用自動(dòng)劃分 網(wǎng)格技術(shù)生成六面體網(wǎng)格，最大網(wǎng)格長(zhǎng)度 設(shè)為 5.5mm，最小網(wǎng)格長(zhǎng)度設(shè)為 0.34mm， 由于氣門與氣道之間的氣體流動(dòng)模擬是研 究的重點(diǎn)，在燃燒室位置進(jìn)行精細(xì)劃分， 該處局部劃分網(wǎng)格尺寸設(shè)置為 0.68mm，以 2mm 升程為例，總的網(wǎng)格數(shù)為 861560，節(jié) 點(diǎn)數(shù)為 862916。 a)整體網(wǎng)格b)局部劃分c)氣門網(wǎng)格 圖 1 計(jì)算網(wǎng)格 1.2 模擬分析條件 1.2.1 固定壁面邊界 壁面為絕熱無(wú)滑移，無(wú)滲透，采用湍 流壁面函數(shù)對(duì)邊界層進(jìn)行處理，溫度壁面 邊界采用定溫條件，即 293.15K。 1.2.2 進(jìn)出口邊界 采用穩(wěn)壓試驗(yàn)條件，進(jìn)口總壓 0.1MPa， 出口靜壓 0.0975MPa。 1.2.3 介質(zhì)特性及初始化設(shè)置 氣道內(nèi)氣體的流動(dòng)是三維可壓縮粘性 流動(dòng),視為由79%的氮?dú)夂?1%的氧氣組成 的氣體,壓力為0.098MPa，密度為 1.1648 3 /kg m，溫度為293.15K，選擇初始 化模式為有勢(shì)場(chǎng),以加快穩(wěn)態(tài)計(jì)算中的迭代 作者簡(jiǎn)介：段亮（1983- ） ，男，碩士研究生；研究方向：汽車能源與排 Email: 速度。 1.3 氣體流動(dòng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型 內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)的多維數(shù)值模擬的實(shí)質(zhì)是 對(duì)可壓縮粘性流體的 Navies-Stokes 方程 進(jìn)行數(shù)值求解。一般應(yīng)用的守恒方程有質(zhì) 量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方 程以及理想氣態(tài)方程，耦合標(biāo)準(zhǔn)k湍流 模型,建立氣道內(nèi)氣體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。 1.3.1 流動(dòng)控制方程3： 連續(xù)性方程， () 0 j j u tx += (1) 式中，t為時(shí)間； j x（j1，2，3）為坐 標(biāo)；為密度； j u為氣流速度在三個(gè)坐標(biāo) 上的分量；各物理量上的“ - ”表示時(shí)均 值。 動(dòng)量守恒方程， () 0 ijijij j i i i u uuu x xp ug txx + += (2) 式中，p為氣體壓力； ij 為作用在與i方 向垂直的j方向上的應(yīng)力；g為重力加速 度。 能量守恒方程， () () 0 jj j ijih jpjj huhh u tx hp uS xcxxt + + = (3) 式中 h S為能量方程的源項(xiàng)，h為氣體的比 焓， 21 2 i hc Tu= + (4) 狀態(tài)方程， p RT = (5) 式中R為氣體常數(shù)，T為氣體溫度 1.3.2 湍流模型 常用的湍流模型有亞網(wǎng)格尺度模型、 單方程模型、k雙方程（湍流動(dòng)能和耗 散率方程） 模型、 雷諾應(yīng)力模型和RNGk 模型4，本文采用k雙方程湍流模型。 2 進(jìn)氣道評(píng)價(jià)方法 在內(nèi)燃機(jī)中常采用穩(wěn)流試驗(yàn)方法評(píng)價(jià) 氣道性能，假定氣道及缸內(nèi)氣體流動(dòng)使穩(wěn) 定的氣體流動(dòng)，而在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣 過(guò)程中，由于活塞和氣門均做變速運(yùn)動(dòng)， 流過(guò)氣道的氣流實(shí)際上是不穩(wěn)定流動(dòng)，兩 者之間不存在相似性，為使不同形狀和尺 寸氣道的流動(dòng)特性具有對(duì)比性，采用無(wú)量 綱的流量系數(shù)評(píng)價(jià)不同氣門升程下氣道的 阻力特性或流通能力，用無(wú)量綱的渦流比 評(píng)價(jià)不同氣門升程下氣道形成渦流的能力 5，本文采用 AVL 評(píng)價(jià)方法。 2.1 無(wú)因次流量系數(shù) th m m = (6) 式中，m 為測(cè)得空氣質(zhì)量流量； mth為理論空氣質(zhì)量流量； mth= P2 4 d z 2 v 式中，z 為進(jìn)氣門數(shù)目； dv為進(jìn)氣門內(nèi)座直徑； 是氣門座處氣體密度； P為進(jìn)氣壓降 2.2 無(wú)因次渦流比 D n n = (7) 式中， D n為風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速（單位 min-1） ； n為假想發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（單位 min-1） ； h V 30m n = 式中，Vh為發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸排量 3 不同氣門升程的流動(dòng)特性分析 對(duì)雙進(jìn)氣門不同升程的 CFD 分析，主 要工作在于計(jì)算氣道缸內(nèi)的三維流動(dòng)， 分析氣門之間的干涉情況，以及氣道缸 內(nèi)氣體流動(dòng)特性，提供給缸內(nèi)研究，通過(guò) 模擬計(jì)算，可以獲得氣道及缸內(nèi)壓力、流 速、湍流動(dòng)能等參數(shù)的分布規(guī)律，并建立 氣道形狀與其流通特性的關(guān)系，為設(shè)計(jì)與 改進(jìn)提供依據(jù)。 3.1 流線圖 圖 2 所示氣道及缸內(nèi)的流線分布，從 中可以清晰看出，各個(gè)升程下，通過(guò)進(jìn)氣 門的氣流在缸內(nèi)形成大范圍的滾流，小升 程工況下，在排氣門下方氣流沒有沿著壓 力增加的方向流動(dòng)，根據(jù)文獻(xiàn)6知在缸蓋 處不會(huì)形成分離，當(dāng)升程增大時(shí)，低速的 氣流順著壓力變大的方向流動(dòng)，滿足分離 的兩個(gè)條件，以至在排氣門處產(chǎn)生渦旋， 阻礙了氣體的流動(dòng)，隨著升程的增大，滾 流的軸線向氣缸中心移動(dòng)。根據(jù)文獻(xiàn)7知， 要使大升程下，排氣門處的渦旋減少，建 議將彎氣道改為直氣道，來(lái)加強(qiáng)流經(jīng)排氣 門側(cè)的氣流，以達(dá)到較高滾流強(qiáng)度。 a)氣門升程 2mmb) 氣門升程 4mm c)氣門升程 6mmd)氣門升程 8mm 圖 2 縱截面不同升程的流線分布 3.2 速度分布圖 圖 3 所示不同升程的速度分布，可看 出，在氣門升程不同的情況下，氣道內(nèi)氣 體的最大流速都分布在喉口位置，也就是 最小流通截面處，而且同一個(gè)縱截面上， 隨著氣門升程的增加，最大流體速度在降 低，這是由于小氣門升程下的氣門與缸壁 的間隙縮小，在壓差一致的基礎(chǔ)上，小截 面的流速明顯較大。而且隨著升程的增加， 氣流進(jìn)入氣缸的錐角減小，氣流在氣缸上 的著壁點(diǎn)降低。 3.3 湍流動(dòng)能分布 圖 4 所示氣門位置湍流動(dòng)能分布情況， 由圖可以看出，湍流動(dòng)能主要在速度梯度 較大的氣門邊緣處和進(jìn)氣射流撞擊缸壁 處，這兩個(gè)方向上的氣體脈動(dòng)強(qiáng)烈，因而 該處的湍流強(qiáng)度較高。這是由于進(jìn)氣射流 在閥座及氣閥邊緣處的剪切和分離，以及 進(jìn)氣射流與周圍氣體速度相差很大，而且 由于進(jìn)氣射流撞擊缸壁及反彈氣流擾動(dòng)的 緣故8，隨著氣流向下游傳播擴(kuò)散，由于氣 體的粘性，湍流強(qiáng)度表現(xiàn)出衰減的情形。 a)氣門升程 2mmb) 氣門升程 4mm c)氣門升程 6mmd)氣門升程 8mm 圖 3不同升程的速度分布 a)氣門升程 2mmb) 氣門升程 4mm c)氣門升程 6mmd)氣門升程 8mm 圖 4 湍流動(dòng)能分布 3.4 雙氣門流線干涉 圖 5 所示為不同升程下兩進(jìn)氣門周圍 的流場(chǎng)分布，在中央交匯區(qū)域流線分布密 集，氣體流動(dòng)雖然會(huì)影響到進(jìn)氣流量的大 小，阻礙氣流直接流向氣缸，但是會(huì)增大 排氣門一側(cè)的流量，以至氣流在干涉作用 下涌向缸壁，在排氣門與缸壁的約束下形 成滾流。 a)氣門升程 2mmb)氣門升程 4mm c)氣門升程 6mmd)氣門升程 8mm 圖 5 雙氣門流線干涉 3.5 流量系數(shù)走向 圖 6 所示氣門升程依次為 1mm、2mm、 3mm、4mm、5.2mm、6mm、7mm、8mm、 9mm、10.3mm 流量系數(shù)變化趨勢(shì)。從圖 6 所示的流量系數(shù)的變化曲線可以看出，隨 著升程的增大，流量系數(shù)緩慢增加，符合 理論預(yù)測(cè)，但數(shù)值的準(zhǔn)確性有待試驗(yàn)的進(jìn) 一步驗(yàn)證，根據(jù)文獻(xiàn)9知，用穩(wěn)流試驗(yàn)求 得的流量系數(shù)為靜態(tài)流量系數(shù)，它與實(shí)際 的動(dòng)態(tài)流量系數(shù)還是有出入的，研究指出， 動(dòng)態(tài)流量系數(shù)比靜態(tài)流量系數(shù)要小。 0.727 0.699 0.655 0.599 0.4436 0.333 0.213 0.539 0.105 0.745 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 1234 5.2 6789 10.3 升程（mm） 流量系數(shù) 圖 6 不同升程流量系數(shù)變化趨勢(shì) 3.6 橫截面渦流分布 對(duì)于雙進(jìn)氣道四氣門汽油機(jī)，在穩(wěn)流 氣道模擬過(guò)程，發(fā)現(xiàn)所有氣門升程下葉片 風(fēng)速儀轉(zhuǎn)速均不超過(guò) 100r/min，渦流比小 于 0.1，而且在模擬過(guò)程中數(shù)值和方向都不 穩(wěn)定，這也說(shuō)明氣缸內(nèi)沒有形成大尺度渦 流運(yùn)動(dòng)，這是由于雙進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)的對(duì)稱布 置的特殊性決定了氣流的運(yùn)動(dòng)特性，使繞 氣缸軸心沿壁面運(yùn)動(dòng)的兩股氣流相互抵 消。由圖 6 可見，兩股反向的氣流在氣缸 壁的引導(dǎo)下形成反向渦流，在橫斷面上形 成雙渦流。 a)氣門升程 2mmb)氣門升程 4mm c)氣門升程 6mmd)氣門升程 8mm 圖 7一倍缸徑處橫截面渦流分布 4 結(jié)論 本文研究了不同氣門升程下的雙進(jìn)氣 門進(jìn)氣道及缸內(nèi)的氣體流動(dòng)特性,分析了不 同升程的流線，速度，湍流動(dòng)能分布情況， 比較了不同升程流量系數(shù)變化趨勢(shì)，得出 以下結(jié)論： （）汽油機(jī)缸內(nèi)滾流是在流向排氣 門一側(cè)的進(jìn)氣氣流與缸壁的作用下形成 的，可見增加流向排氣門一側(cè)的氣體流量 或者減少進(jìn)氣側(cè)缸壁流量可以增大缸內(nèi)的 滾流強(qiáng)度。 （）雙進(jìn)氣門進(jìn)氣道的對(duì)稱結(jié)構(gòu)使 得缸內(nèi)橫截面上形成反向的雙渦流，致使 缸內(nèi)的平均渦流比近于。 （）喉口位置的湍流動(dòng)能分布較集 中，因此該處的能量損失較嚴(yán)重，尤其是 進(jìn)氣門的迎風(fēng)面及邊緣處，阻礙氣流流動(dòng)， 可見進(jìn)氣門迎風(fēng)面及邊緣的設(shè)計(jì)關(guān)系到湍 流動(dòng)能的分布以及氣流的順暢。 （4）穩(wěn)態(tài)仿真具有簡(jiǎn)便、可靠、實(shí)用 的優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)果對(duì)氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要的 指導(dǎo)意義，但是由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程是 多維多相的復(fù)雜瞬變過(guò)程，僅做穩(wěn)態(tài)模擬 具有局限性。為了得到更詳細(xì)、更切合實(shí) 際工況的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣體流場(chǎng)信息，瞬態(tài) 仿真計(jì)算是必要的。 參 考 文 獻(xiàn) 1 王 建.四氣門汽油機(jī)進(jìn)氣道流動(dòng)特性的穩(wěn)流試 驗(yàn)研究.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2005，22(2)：182183. 2 曹暑林.四氣門柴油機(jī)進(jìn)氣道的三維實(shí)體造型及 流場(chǎng)數(shù)值模擬.內(nèi)燃機(jī)工程，2004，25(6):40 41. 3 王保國(guó)，劉淑艷，黃偉光.氣體動(dòng)力學(xué).北京： 北京理工大學(xué)出版社.2005 5 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)(第二版).北京：機(jī)械工業(yè)出版 社，2006. 4 曹暑林.四氣門柴油機(jī)進(jìn)