基于KIVA的發動機進氣道穩流模擬計算

魏明銳 周昌祁 文 華 李 程 王海良

（武漢理工大學汽車工程學院1） 武漢 430070） （現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室2） 武漢 430070）（南昌大學機電工程學院2） 南昌 330031）

0 引 言

進氣道的設計是發動機開發過程中的重點與難點.進氣道的傳統設計方法是采用經驗設計和穩流試驗相結合，利用木模或石膏模在穩流試驗臺上不斷試驗和優化，確定氣道的形狀，根據氣道形狀設計二維圖紙，最終制造模具，用于生產.這一開發過程最大的弊端就是必須要有一個原型樣件作參考，這將大大制約缸蓋設計工程師對發動機的全新設計.理想的氣道開發流程應為：三維造型→優化改進→抽氣試驗→快速成型，氣道的三維造型設計模擬沒有過多束縛，可根據相關的邊界條件自由設計.設計更改時只要根據實驗數據，對不滿足產品要求的數據進行調整，直至最終確定符合性能的最佳氣道形狀［1］，設計和制造周期大大縮短.

本文使用KIVA作為仿真工具，它具有2個主要特點：（1）KIVA程序采用非正交結構化網格，可以是任意六面體.計算網格分為結構化網格和非結構化網格，結構化網格的生成相對麻煩，但容易對控制方程進行離散，且求解精度比非結構化網格要高；（2）其源程序是開放的.研究者可在其原有模型的基礎上使其更完善或更適用于某一特定的情況.

1 數學模型

1.1 氣流運動的控制方程

KIVA軟件通過對質量、動量、能量守恒方程和RNG－κ－ε湍流模型等偏微分方程在時間和空間上進行離散，求得具有物理意義的數值解，從而獲得對流場細節的描述.考慮到活塞為運動邊界，故采用任意拉格朗日－歐拉法（ALE）進行變網格流體計算.ALE在時間上采用一階向前差分和空間上采用有限體積方法來離散控制方程組［2－3］.

質量方程為

式中：ρm為第m種組分的密度；ρ為總密度；D為擴散系數；上標c為化學反應的源項；上標s為噴霧源項，下同；δml為Kronecker算子.

動量守恒方程為

式中：a為PGS（pressure gradient scaling）系數，用于在低馬赫數情況下增加計算的收斂速度；κ為湍流動能；σ為湍流粘性應力張量；常數A0＝

能量守恒方程為

式中：J為熱流量和分別為化學反應放熱源項和噴霧放熱源項.

κ方程為

有關的詳細方程論述可參考文獻［4］.

1.2 邊界條件

本文計算區域的邊界包括進出口邊界和固體壁面邊界.（1）進出口采用壓力邊界條件（入口壓力為100kPa，出口壓力為93kPa）；（2）固壁邊界：固壁的溫度采用絕熱邊界，固壁的速度采用無滑移邊界，邊界層速度采用湍流壁面律邊界.

2 氣道幾何模型的建立

模擬條件是基于AVL的發動機氣道穩流實驗條件，氣缸長度為2.5D（D為缸徑），網格：15萬～20萬個六面體結構化網格［5］.由于氣道閥口形狀對流動很敏感，此區域屬關鍵流域，建模一定要精確，故在氣缸蓋內和閥門附近對網格進行了加密.模型見圖1.

3 KIVA動態網格的實現

與其他CFD軟件不同，KIVA只需要發動機一個位置的網格即可實現整個循環的計算，活塞與氣門運動過程中對網格的影響通過snap和rezone來調整，見圖2.其中，snap：實現網格層的自動增加和刪減；rezone：對氣門運動引起的網格拉伸變形進行重整，保證網格的規則.

圖1 幾何模型

圖2 動態網格的實現

應用 FAME［6－7］技術，自動生成六面體網格，氣門與氣缸套內壁最近點距離只有1.5mm，局部網格規模i×j×k為0.2mm×0.2mm×0.2 mm.氣門升程1mm時，氣門最小流通截面至少要有6層網格，以保證模擬計算時氣流能夠順利流過此截面，此時局部網格規模i×j×k為0.1 mm×0.1mm×0.1mm.不同氣門升程下（1～10 mm）分別對氣道－氣缸劃分網格.

4 流量及流通系數的計算

4.1 流通系數

流通系數的定義為

式中：阻隔系數δ＝Fv／FP；f為流量系數；mv為實際流量.理論流量為

4.2 計算結果分析

圖3分別是不同氣門升程下進氣道的流通系數隨氣門升程的變化曲線.由圖知，隨著氣門升程的增大流通系數迅速增大.這是由于氣門升程加大，流通面積增大和進氣阻力的減小.當氣門升程接近最大時，流通系數增加率變小，其主要原因是：此時氣道與氣缸的壓差很小，同時氣缸內滾流等氣體運動強度卻加大，進氣阻力變大.

圖3 不同氣門升程流通系數變化曲線圖

圖4 為不同氣門升程下氣門軸線截面上的壓力分布情況.圖4a）表明，當氣門剛開啟時，在氣門附近氣道壓力迅速下降，其原因是：此時氣道與氣缸存在巨大壓力差.圖4b）表明當氣門升程加大，氣道內壓力急劇下降，氣缸壓力迅速上升，最終兩者壓力逐漸接近.在氣門桿頭部（即1處）和氣門與氣門桿連接處（即2處），氣體受到阻滯，導致局部壓力升高.

圖4 不同氣門升程氣門軸線截面壓力場

圖5 為不同氣門升程下氣門軸線截面上的速度分布情況.由圖5a）可見，當氣門升程較小時，氣體最大速度在氣門喉口位置.氣體進入氣缸后，從氣缸蓋到氣缸底速度逐漸減小，主要原因是氣流進入氣缸基本上都是繞氣缸壁運動，越往下運動，氣體受到的摩擦阻力就越大.由圖5b）可見，在燃燒室與氣缸蓋的結合處（即3處），氣體受到阻滯，氣流的流動速度明顯下降，氣體流動變向.少量氣流在氣門迎風側與缸蓋之間（即4處）與被氣門擋回來的進氣交匯，形成高強度的湍流.在氣流受阻部位，湍流能較大是減少充氣量的重要原因.因此，應盡可能避免在此區域設計氣道.

圖5 不同氣門升程氣門軸線截面速度場

圖6 為不同氣門升程氣缸中心線截面速度分布情況.圖6表明，進氣有很強的滾流，它有利于燃油和空氣的混合.在進氣門的下方（即5處）出現速度較低的“混合死角”，這不利于氣體混合和燃燒的充分進行.

圖6 不同氣門升程氣缸中心線截面速度場

圖7 為垂直Z軸（缸蓋下5.0mm處）的截面的速度分布情況.圖7表明，由于結構上的對稱性，氣體進入氣缸后，與缸壁相撞而擠向兩側，在水平截面上流場表現為對稱分布、旋向相反的雙渦結構.隨著氣門升程的增大，對稱大渦逐漸破碎形成尺度更小、速度更大的渦，由此可以得出，進氣道產生的渦流對缸內氣體的混合有著明顯的促進作用.

圖7 垂直Z坐標截面速度場

5 不同數值模擬工具模擬結果的對比

由于缺少實驗條件，故用Fire的模擬結果來比較.二者在相同的邊界和模型條件下模擬計算的，結果見表1.由表1可知，KIVA的模擬結果與Fire的模擬結果基本相同.由于Fire計算網格數達70多萬個，而KIVA的計算網格數才10多萬個，故在計算成本上，KIVA有明顯的優勢.

表1 流量系數的KIVA模擬值與Fire模擬值的比較

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［6］Laimbock F J，Meister G，Grilc S.CFD application in compact engine development［J］.SAE Transactions，1998，107（3）：1 998－2 004.

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