基于CFD的仿生非光滑表面柴油機螺旋進氣道對進氣過程質量流率的影響分析

王海洲， 沙學鋒， 鄒家平

（1.吉林大學交通學院，吉林長春 130022；2.裝甲兵技術學院機械工程系，吉林長春 130117）

0 引 言

在柴油機工作過程中，進氣質量是影響其性能的重要條件之一。在這一過程中，進氣道流通特性的好壞對氣缸內空氣的運動狀態、燃料的霧化效果、燃料與空氣的混合程度和燃燒過程產生重要的影響［1］，最終影響發動機的動力性、經濟性及排放性［2］。國內外學者主要通過對進氣道的外形結構、截面尺寸以及進氣道的排列布置對缸內氣體的運動狀態進行研究［3－4］，通過傳統的穩流試驗得出結論，但并不能充分反映發動機工作時進氣道瞬態空氣的運動狀態［5］。

近幾年，仿生非光滑表面的應用以其特有的減阻效果被人們所重視，并在生產實踐中得到廣泛應用，如具有“鯊魚皮表面”的泳衣，可以減小7%的阻力，從而提高運動員的速度，高爾夫球凹坑表面設計減小了表面的阻力系數，從而使球體飛的更遠等［6－7］。因此，文中提出將仿生非光滑表面應用于柴油機螺旋進氣道內表面，將兩者相結合來改善進氣質量。通過fluent軟件，利用動網格技術進行瞬態CFD數值模擬，分析其對缸內氣體質量流率以及缸內空氣流速的影響，驗證其對進氣道流通特性的影響。

1 仿生非光滑表面進氣道模型建立

1.1 仿生非光滑單元體的尺寸設計

仿生非光滑表面的減阻通過破壞邊界層的內部流動，控制邊界層對湍動能的影響，減小速度梯度對邊界層內空氣流速的影響和能量的損失，進而提高了進氣道軸線處即核心區域的流速，邊界層厚度計算公式［8］為：

式中：d——進氣道直徑；

Re——雷諾系數；

λ——沿程阻力系數；

v——流體速度；

ν——流體的運動黏度；

D——氣缸直徑；

S——活塞行程；

n——發動機轉速；

S1——進氣道進口處的截面積。

根據計算，文中選用單元體尺寸直徑為4 mm，深度為1 mm的凹坑和凸包。

1.2 進氣道模型的建立

采用柴油機螺旋進氣道模型，其原型為一汽－大柴發動機，結構參數見表1。

表1 一汽－大柴柴油發動機參數

通過catia軟件對柴油機螺旋進氣道進行三維建模，選取發動機氣門為6，8，10 mm 3個升程。通過對仿生非光滑表面相關文獻的研究和計算，選取凸包、凹坑兩種減阻效果較好的仿生單元體，將其與原進氣道模型相結合，如圖1所示。

圖1 3種表面進氣道三維模型的建立

2 動網格劃分方法

動網格模型是在每一個時間步迭代之前，根據邊界或物體的運動、變形更新和重新構建計算域的網格，從而達到計算各種非定常流體與固體的耦合、計算域隨時間變化的問題。

2.1 動網格技術的優點

進氣道穩態CFD數值模擬在柴油機進氣道優化設計過程中得到了廣泛的應用，但實際工作的進氣過程是一個瞬態的過程，柴油機的活塞和氣門時刻保持著運動狀態，且氣缸的工作容積也在不停的變化，只考慮穩態的進氣過程并不能充分反映進氣道和缸內氣體的運動情況。相比于進氣道穩態CFD分析，動網格技術具有更好的幾何靈活性；通過控制網格尺寸變化來模擬運動過程；通過自適應加密和劃分網格以進行數值模擬分析，從而更真實地反映進氣過程中由于氣門的運動對進氣道和缸內氣體流動的影響。

2.2 動網格控制方程

應用動網格模擬柴油機工作時氣缸邊界發生位移的動態效果，采用動網格守恒方程進行求解［9］，其控制方程為：

其中，時間導出項用一節向后差分格式表示為：

時間導數為：

式中：ρ——密度；

U——速度向量；

Uδ——動網格位移速度；

?！獢U散系數；

n——時間層；

nf——控制體面積；

Aj——面積向量。

2.3 計算網格生成

使用gambit軟件對原模型和擁有凹坑、凸包非光滑表面的進氣道模型進行網格劃分，為了保證網格劃分質量和實驗精度要求，設置網格最小尺寸為1.2 mm；按照動網格劃分要求，對進氣道部分和氣缸上部采用四面體網格進行劃分，活塞運動掃過的氣缸部分采用六面體進行網格劃分，如圖2所示。

圖2 進氣道模型的網格劃分

3 進氣道進氣過程瞬態模擬及數值分析

3.1 fluent邊界條件的設置

在fluent軟件中設置流體狀態為非穩態，流體為理想氣體，選擇標準k-ε模型作為湍流方程；進氣道入口設置為inlet；邊界條件為壓力入口，壓力為99 350 Pa；固體壁面邊界設置為絕熱；在動網格劃分方法中選用彈性平滑方法、動態分層方法、局部重畫法；發動機的工作轉數選取1 000，1 500，2 000，2 500 r／min；參照氣門升程的參數設置進氣過程的曲軸轉角；沖程和曲柄連桿的長度及相關參數根據發動機實際參數進行設置。

3.2 進氣道出口處截面速度分析

從CFD的運行結果來看，進氣道內的空氣流速一直呈增長趨勢，其主要原因，一方面為進氣道的前后段壓差不同產生了加速作用，另一方面因為進氣道截面面積變化較大，出口截面相比于進口面積縮小，促使了氣流的加速運動；在螺旋氣道中，流速從螺旋上部向出口方向逐漸增大，由于斜坡面拐向出口，速度矢量逐漸增大。在出口處繞氣門軸線做螺旋運動，經過氣門開啟截面后，氣體以旋轉錐形進入氣缸，氣流在氣門外緣處分離。由于氣門下面存在回流區，且進入氣缸的空氣不斷地與缸壁發生碰撞，導致缸內速度分布不均勻。但隨著氣流的向下運動和流速的逐漸平穩，不均勻程度逐漸改善。

發動機在4種轉速下，原模型與帶有仿生非光滑表面的進氣道模型在進氣道出口處的最大速度見表2～表5。

表2 發動機1 000 r／min時進氣道出口處最大速度m／s

表3 發動機1 500 r／min時進氣道出口處最大速度m／s

表4 發動機2 000 r／min時進氣道出口處最大速度m／s

表5 發動機2 500 r／min時進氣道出口處最大速度m／s

從分析可以看出，相比于原進氣道模型，帶有仿生非光滑表面的進氣道改善了進氣道內氣體的運動狀態，同時提高了進入氣缸內空氣的運動速度，且凸包模型對速度的提高影響較大。相比于帶有凸包表面的進氣道模型，由于仿生單元體尺寸選取的局限性影響，凹坑模型僅在一定的氣門升程下，提高了進氣道內氣體的速度。

發動機工作在2 000 r／min時，氣門升程分別在6 mm，8 mm，10 mm下，不同模型的缸內氣體運動的速度云圖如圖3～圖5所示。

圖3 氣門升程6 mm時3種模型進氣過程的速度云圖

圖4 氣門升程為8 mm時3種模型進氣過程的速度云圖

圖5 氣門升程為10 mm時3種模型進氣過程的速度云圖

通過對比分析發現，帶有仿生非光滑表面的進氣道顯著地提高了缸內氣體的運動速度，改善了缸內氣體的運動狀態。

3.3 進氣道截面處質量流率分析

通過分析在Y＝5 mm氣缸截面處的質量流率發現，在不同發動機轉速下，仿生非光滑表面進氣道對進入缸內氣體的質量流率都有提升，見表6～表9。

表6 發動機1 000 r／min時Y＝5 mm處氣缸截面處的質量流率 kg／s

表7 發動機1 500 r／min時Y＝5 mm處氣缸截面處的質量流率 kg／s

表8 發動機2 000 r／min時Y＝5 mm處氣缸截面處的質量流率 kg／s

表9 發動機2 500 r／min時Y＝5 mm處氣缸截面處的質量流率 kg／s

帶有凹坑表面的進氣道，在發動機轉速為2 300 r／min時，對質量流率的提升達到了0.89%，相比于帶有凸包表面的進氣道，其提升效果不明顯。在發動機轉速為1 000 r／min時，凸包模型的提升幅度達到了8.64%，且在各個轉速下的提升效果均為明顯。其主要原因為當氣流流過凸包表面時，凸包單元體之間相互影響，凸包表面邊界層對進氣道內的氣流產生了分離作用，有效控制了動量交換過程。但在仿真模擬的過程中發現，當進氣道入口處空氣流速較低時，由于仿生單元體的結構特點，低速空氣與凸包模型入口處的凸起部分接觸產生回流，最終導致出口處的質量流率降低。

4 結 語

根據仿生非光滑表面減阻的原理，選取了凹坑和凸包兩組仿生單元體將其與柴油機螺旋進氣道結合，通過動網格技術和CFD數值模擬，分析其對進氣流速和質量流率的影響，得出以下結論：

1）通過動網格技術模擬發動機2 000 r／min時的瞬態工況，在同氣門開度下，仿生非光滑表面可以提高進氣流速和質量流率。

2）仿生非光滑表面對進氣道內氣體的運動速度和質量流率，受單元體的選型和氣門升程的大小影響較大。

3）相比于原進氣道模型帶有凸包的進氣道模型在不同發動機轉速下，在氣門升程為6 mm和10 mm時，對進氣流速和質量流率有顯著的提高。

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