基于STAR-CCM+對(duì)排氣流量系數(shù)的模擬研究

基于STARCCM+對(duì)排氣流量系數(shù)的模擬研究摘要：本文基于STARCCM+軟件，采用三維計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)對(duì)不同氣門(mén)升程的排氣道流場(chǎng)進(jìn)行三維CFD數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果同試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種方法獲得的流量數(shù)據(jù)吻合良好，誤差在允許范圍內(nèi)，數(shù)值模擬的精度較高，指出了排氣道改進(jìn)的方向。關(guān)鍵詞：排氣道，CFD，流量系數(shù)0前言發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的氣體流動(dòng)特性復(fù)雜，排氣過(guò)程是否順暢，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性都有直接影響，對(duì)排放性能更是至關(guān)重要。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不好的排氣道，排氣過(guò)程氣缸壓力下降緩慢，將大大增加排氣沖程消耗的活塞推出功。流體計(jì)算力學(xué)方式可以得到氣道流場(chǎng)的大量微觀信息，找出造成排氣阻滯的關(guān)鍵部位，為氣道的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供重要的理論依據(jù)，使氣道的改進(jìn)更有針對(duì)性。1排氣道的三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬幾何模型及網(wǎng)格劃分排氣道穩(wěn)態(tài)分析的計(jì)算域包括排氣道、排氣門(mén)、氣門(mén)座圈和氣缸，為了使計(jì)算結(jié)果精確，通常還要增加穩(wěn)壓腔，穩(wěn)壓腔的設(shè)計(jì)一般跟試驗(yàn)設(shè)置一致，本文在入口延長(zhǎng)氣缸，長(zhǎng)度為缸徑的2.5倍，出口處設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)方體的穩(wěn)壓腔，一般足夠大即可。對(duì)不同的氣門(mén)升程分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)對(duì)可能影響氣體流動(dòng)的關(guān)鍵部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，在控制網(wǎng)格總數(shù)的前提下盡量保留數(shù)模設(shè)計(jì)的幾何特征，還原氣體流動(dòng)的真實(shí)經(jīng)過(guò)。將幾何模型導(dǎo)入到Hypermesh中進(jìn)行面處理，將處理好的面導(dǎo)入到STARCCM+中，生成計(jì)算用的體網(wǎng)格，體網(wǎng)格是六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)在40w左右。排氣道三維模型和網(wǎng)格模型見(jiàn)圖1.圖1排氣道三維模型和網(wǎng)格模型數(shù)學(xué)模型排氣管內(nèi)部流速不高，氣道內(nèi)的氣體視為理想氣體，三維、定常、可壓縮、粘性、湍流運(yùn)動(dòng)根據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒定律建立氣道內(nèi)部流體的流動(dòng)控制方程，采用K-E雙方程湍流模型模擬流動(dòng)區(qū)域內(nèi)的湍流，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程處理，建立連續(xù)方程、動(dòng)量方程、能量方程、湍流動(dòng)能方程和湍流耗散方程，采用分離求解方式。邊界條件施加流體介質(zhì)為空氣，視為理想氣體，表2.1所示為排氣道穩(wěn)態(tài)計(jì)算邊界，除了進(jìn)出口，其他都設(shè)置成wall：表1排氣道邊界條件SelectionsTypeofBCBoundaryBND-InletInlet/OutletTotalpressure:2000(Pa)Hv/dv=0.16~0.36Totalpressure:6500(Pa)Hv/dv=0.08~0.12BND-OutletInlet/OutletStaticpressure:0(Pa)其他wall常溫結(jié)果分析排氣道計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià)方法排氣道的設(shè)計(jì)好壞主要通過(guò)流量系數(shù)來(lái)體現(xiàn)，并考察各缸流量系數(shù)的均勻性，在滿(mǎn)足要求的前提下，流量系數(shù)越高，則排氣效率越好。由于排氣流量系數(shù)不均勻可能會(huì)引起排氣不均勻，影響排氣系統(tǒng)性能，因此要求平均流量系數(shù)不均勻性不得超過(guò)5%。三維結(jié)果分析下表顯示了兩個(gè)氣道不同升程下缸內(nèi)流速和氣門(mén)截面流速分布。表2缸內(nèi)流速和氣門(mén)截面流速分布VelocityofR2_Case40VelocityofR1_Case40VelocityofR2_Case20VelocityofR1_Case20VelocityofR2_Case12VelocityofR1_Case12從缸內(nèi)速度及流線(xiàn)分布可知，隨著氣門(mén)升程逐漸加大，流經(jīng)氣門(mén)周?chē)諝獾淖畲罅魉購(gòu)?0m/s逐漸增加至150m/s，由圖可知，氣門(mén)座圈處的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)氣流速度影響較大，要保證排氣順暢，此處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要留意。下圖為相同氣門(mén)升程下，缸內(nèi)壓力和流線(xiàn)圖對(duì)比：表3缸內(nèi)壓力和流線(xiàn)圖PressureofR2_Case40PressureofR1_Case40VelocityofR2_Case40VelocityofR1_Case40從壓力分布可知，三缸出口匯合處有明顯的流動(dòng)分離，可以通過(guò)更改此處的曲率半徑改進(jìn)流動(dòng)分離情況，減小能量損失；從流線(xiàn)圖看到，一三缸排氣時(shí)，由于壁面的引導(dǎo)作用，部分氣體會(huì)躥入氣體缸，使流量減小，因此，壁面的倒角也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)關(guān)注部分。計(jì)算數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)本計(jì)算通過(guò)軟件計(jì)算得到實(shí)際流量，實(shí)際流量與理論流量的比值就是流量系數(shù)，流量系數(shù)公式如下：，為軟件計(jì)算的實(shí)際流量，為理論流量，計(jì)算公式為：，（為氣門(mén)座圈直徑）平均流量系數(shù)是積分值，考慮氣門(mén)升程和活塞位移，從TDC到BDC之間進(jìn)行積分平均，為了方便積累不同氣道的計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)，采用了一條假想的標(biāo)準(zhǔn)氣門(mén)升程進(jìn)行積分，氣門(mén)升程僅與氣門(mén)座圈直徑相關(guān)。下表為計(jì)算結(jié)果及流量系數(shù)曲線(xiàn)，除了對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，還用另一軟件對(duì)相同氣道用同樣方法進(jìn)行了計(jì)算，流量系數(shù)不均勻性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，與試驗(yàn)積分平均值誤差在5%以?xún)?nèi)，符合精度要求。圖2流量系數(shù)結(jié)論本文對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣道進(jìn)行了三維CFD分析，得到排氣道的流量系數(shù)曲線(xiàn)，并對(duì)流量系數(shù)進(jìn)行積分評(píng)價(jià)，得到平均流量系數(shù)并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好，說(shuō)明這種模擬計(jì)算的方法可行。三維分析可以直觀分析排氣過(guò)程的流動(dòng)細(xì)節(jié)，能夠定位氣道中影響排氣順暢的結(jié)構(gòu)，可以為后續(xù)設(shè)計(jì)更改提供指導(dǎo)意見(jiàn)，對(duì)提高排氣性能、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間有較大的幫助。相同的計(jì)算方法和某軟件的計(jì)算流程對(duì)比，相同的計(jì)算模型，面網(wǎng)格的前處理時(shí)間相當(dāng)，計(jì)算用的體網(wǎng)格數(shù)，STARCCM+僅用不到一半的網(wǎng)格數(shù)就完