三葉片節(jié)氣門進(jìn)氣系統(tǒng)的CFD計(jì)算和分析

倪計(jì)民， 李飛鴻， 顧詩帆， 石秀勇

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院， 上海 201804)

三葉片節(jié)氣門進(jìn)氣系統(tǒng)的CFD計(jì)算和分析

倪計(jì)民， 李飛鴻， 顧詩帆， 石秀勇

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院， 上海 201804)

以一款新型三葉片式節(jié)氣門為主要研究對象,通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下進(jìn)氣歧管三維CFD計(jì)算的邊界條件，選取不同轉(zhuǎn)速、不同負(fù)荷率的12個(gè)有代表性的工況點(diǎn)，建立配置傳統(tǒng)的單葉片節(jié)氣門和三葉片節(jié)氣門的進(jìn)氣歧管網(wǎng)格模型，并進(jìn)行CFD計(jì)算和流場分析。結(jié)果表明：發(fā)動(dòng)機(jī)處于中、高負(fù)荷時(shí)，由三葉片節(jié)氣門產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流比單葉片節(jié)氣門大，且優(yōu)勢隨節(jié)氣門開度的增加而更加明顯，但在低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷的工況下，配置三葉片節(jié)氣門的進(jìn)氣歧管內(nèi)的渦流強(qiáng)度小于單葉片節(jié)氣門。

節(jié)氣門； 三葉片； 計(jì)算流體力學(xué)； 流場； 進(jìn)氣系統(tǒng)

發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)氣體的宏觀運(yùn)動(dòng)對混合氣的形成和燃燒過程有著重要的影響。在汽油機(jī)中，宏觀的進(jìn)氣渦流運(yùn)動(dòng)在壓縮上止點(diǎn)破碎時(shí)，缸內(nèi)氣體的湍流運(yùn)動(dòng)會(huì)得到加強(qiáng)，從而提高燃燒速率，改善燃燒過程。節(jié)氣門作為進(jìn)氣系統(tǒng)的一個(gè)重要零部件，對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣效果存在較大影響。新型的三葉片節(jié)氣門在開啟時(shí)沿相同方向打開，可減小負(fù)壓區(qū)的影響，并可組織氣體從三個(gè)葉片開啟的間隙處穿過，在進(jìn)氣管內(nèi)形成進(jìn)氣渦流，并有利于增加進(jìn)氣動(dòng)能，可以改善缸內(nèi)工質(zhì)的霧化和混合，從而改善燃燒過程，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率。

然而，對于整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)來說，安裝在進(jìn)氣總管和進(jìn)氣歧管之間的節(jié)氣門體僅為進(jìn)氣系統(tǒng)的一小部分，因此在氣體流過進(jìn)氣歧管的容積腔進(jìn)入不同的進(jìn)氣岐管后，三葉片式節(jié)氣門所產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流是否還能保留一定強(qiáng)度的渦流運(yùn)動(dòng)，并最終對進(jìn)入缸內(nèi)的氣體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，這是需重點(diǎn)研究的內(nèi)容。

1 進(jìn)氣歧管CFD計(jì)算模型的建立

1.1 幾何模型的建立

單葉片式節(jié)氣門和三葉片式節(jié)氣門實(shí)物圖見圖1。在幾何建模中，將單葉片節(jié)氣門命名為O1(見圖2)，三葉片節(jié)氣門命名為T1(見圖3)。本研究將對裝配了這兩種不同節(jié)氣門的進(jìn)氣進(jìn)行CFD計(jì)算和流體特性分析。

為保證進(jìn)氣流動(dòng)的穩(wěn)定性和計(jì)算的收斂性，減少入口處的反流，對節(jié)氣門前段的進(jìn)氣總管長度進(jìn)行適當(dāng)加長。同時(shí)為了減少三維數(shù)值模擬計(jì)算的網(wǎng)格總數(shù)，節(jié)約計(jì)算時(shí)間和計(jì)算量，只對節(jié)氣門體、進(jìn)氣歧管容積腔和各缸進(jìn)氣岐管的前端進(jìn)行三維建模和CFD計(jì)算。裝配模型見圖4。

1.2 網(wǎng)格模型的建立

圖5示出導(dǎo)入ICEM軟件的節(jié)氣門與進(jìn)氣歧管三維裝配模型，由于在一定工況下任何時(shí)間內(nèi)都只有一根進(jìn)氣岐管進(jìn)氣(不計(jì)提前角和遲閉角)，因此，每次計(jì)算只給定一個(gè)進(jìn)口，一個(gè)出口，其余都為壁面邊界條件。單個(gè)工況下的所有計(jì)算均采用相同的邊界條件。分別對進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣總管、節(jié)氣門進(jìn)行網(wǎng)格劃分(見圖6)。

1.3 邊界條件和收斂條件設(shè)置

由于進(jìn)氣總管和進(jìn)氣歧管都采用粗糙度較小的材料，因此將壁面視為光滑絕熱無滑移壁面。設(shè)置壁面溫度為300 K。設(shè)定入口邊界為壓力入口邊界，設(shè)定進(jìn)氣總壓p0=1.0×105Pa，進(jìn)氣溫度T0=300 K，根據(jù)仿真計(jì)算經(jīng)驗(yàn)以及文獻(xiàn)，設(shè)定κ=1 m2/s2,湍流耗散率ε=1 m2/s2，出口邊界條件根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。

2 CFD計(jì)算工況點(diǎn)選取

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

為得到節(jié)氣門與進(jìn)氣歧管穩(wěn)態(tài)CFD計(jì)算所需的進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流量，需對所研究的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)為1.5 L VCT汽油機(jī)，基本參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

2.2 CFD計(jì)算工況點(diǎn)的選取

圖7示出發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中，在不同轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)工況下測得的進(jìn)氣壓力與進(jìn)氣質(zhì)量流量的變化曲線。

由圖7可以看出，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和進(jìn)氣壓力的變化，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下的進(jìn)氣質(zhì)量流量主要集中在0.002～0.09 kg/s之間。在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下，節(jié)氣門的工作區(qū)域僅占該節(jié)氣門可能的流動(dòng)范圍的很小一部分。因此，在后續(xù)研究中，對兩款不同節(jié)氣門在實(shí)際工況下進(jìn)氣流動(dòng)特性的分析將集中在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果見圖8。為了在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的工況下從全局工況中選擇具有代表性的工況點(diǎn)，覆蓋從低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速，從小負(fù)荷到大負(fù)荷的不同工況,并考慮到網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算機(jī)CFD計(jì)算工作量的問題，本研究按照下述方法，對進(jìn)氣系統(tǒng)的計(jì)算方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對計(jì)算工況點(diǎn)進(jìn)行選擇。選擇2 400，3 600，4 800,6 000 r/min 4個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，并選取各轉(zhuǎn)速下外特性扭矩的30%，60%和90%的工況點(diǎn)作為CFD計(jì)算工況(見圖9)。從試驗(yàn)獲得的發(fā)動(dòng)機(jī)特性場數(shù)據(jù)中，提取這些工況下CFD計(jì)算所需的邊界條件和單葉片節(jié)氣門O1開度設(shè)置。對三葉片節(jié)氣門的全工況質(zhì)量流量MAP圖(見圖10)進(jìn)行插值，按照等流量原則求出上述12個(gè)不同工況下三葉片節(jié)氣門T1相應(yīng)的開度。

根據(jù)表2中所列出的兩款節(jié)氣門在不同工況下的開度，對圖4中配置不同節(jié)氣門的進(jìn)氣歧管幾何模型進(jìn)行節(jié)氣門開度的設(shè)置，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置，得到不同工況下配置兩款不同節(jié)氣門的進(jìn)氣歧管網(wǎng)格模型，導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算。

3 進(jìn)氣歧管流場特性CFD計(jì)算及分析

3.1 進(jìn)氣歧管進(jìn)氣量標(biāo)定

根據(jù)進(jìn)氣歧管CFD計(jì)算結(jié)果，對模型的進(jìn)氣質(zhì)量流量在12個(gè)計(jì)算工況點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果見圖11。從圖11可以看出，兩種不同的進(jìn)氣系統(tǒng)CFD模型的進(jìn)氣量計(jì)算值曲線與試驗(yàn)值曲線較為吻合，模型仿真精度符合CFD三維計(jì)算的精度要求。

表2 裝配兩種不同節(jié)氣門進(jìn)氣系統(tǒng)的CFD計(jì)算方案

3.2 進(jìn)氣歧管CFD計(jì)算結(jié)果分析

圖12示出12個(gè)選定工況下裝配兩款不同節(jié)氣門的進(jìn)氣系統(tǒng)第1缸進(jìn)氣渦流強(qiáng)度的對比。可以看出，裝配單葉片節(jié)氣門O1的進(jìn)氣歧管在各工況下第1缸的進(jìn)氣渦流強(qiáng)度普遍大于三葉片節(jié)氣門T1，這是由于第1缸進(jìn)氣岐管離進(jìn)氣總管和節(jié)氣門的距離較遠(yuǎn)，且進(jìn)氣岐管的走向與其他3缸不同，第1缸進(jìn)氣岐管的走向不利于保持三葉片節(jié)氣門形成的進(jìn)氣渦流。但對于單葉片節(jié)氣門來說，由于進(jìn)氣歧管容積腔的幾何結(jié)構(gòu)和壁面形狀正好可以對節(jié)氣門O1閥片下端形成的層流有很好的導(dǎo)流作用，通過壁面引導(dǎo)形成較強(qiáng)的大尺度渦流運(yùn)動(dòng)(見圖13)，因此，單葉片節(jié)氣門O1進(jìn)氣歧管的第1缸渦流強(qiáng)度在各個(gè)工況下均大于三葉片節(jié)氣門T1。之后的研究還發(fā)現(xiàn)，單葉片節(jié)氣門O1進(jìn)氣歧管第1缸的進(jìn)氣渦流強(qiáng)度也大于其他各缸的進(jìn)氣渦流強(qiáng)度。

圖14示出12個(gè)選定工況下配置兩款不同節(jié)氣門的進(jìn)氣系統(tǒng)第2缸進(jìn)氣渦流強(qiáng)度的對比。可以看出，三葉片節(jié)氣門進(jìn)氣歧管的第2缸進(jìn)氣渦流強(qiáng)度在部分工況下已經(jīng)大于單葉片節(jié)氣門，且這部分工況主要集中在中、高轉(zhuǎn)速和中、高負(fù)荷工況下。在這些工況下，節(jié)氣門開度相對較大，通過三葉片節(jié)氣門T1形成的進(jìn)氣渦流強(qiáng)度較強(qiáng)，且第2缸進(jìn)氣歧管靠近節(jié)氣門和進(jìn)氣總管，其走向有利于進(jìn)氣渦流的保持。因此在這些工況下，三葉片節(jié)氣門T1在第2缸進(jìn)氣歧管出口處的渦流強(qiáng)度大于裝配單葉片節(jié)氣門O1的進(jìn)氣歧管。但另一方面也可以發(fā)現(xiàn)，在節(jié)氣門開度較小時(shí)，尤其是低轉(zhuǎn)速或小負(fù)荷工況下，三葉片節(jié)氣門T1的渦流強(qiáng)度并沒有明顯優(yōu)勢，有些工況下依然小于單葉片節(jié)氣門。所以，對于三葉片節(jié)氣門T1而言，具備一定的開度，且進(jìn)氣岐管的走向適合渦流運(yùn)動(dòng)的保持，是保證進(jìn)氣岐管內(nèi)的氣體具有良好渦流運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

圖15示出12個(gè)選定的工況下，配置兩款不同節(jié)氣門的進(jìn)氣系統(tǒng)第3缸進(jìn)氣渦流強(qiáng)度的對比。由圖15可以看出，裝配兩種不同節(jié)氣門的進(jìn)氣歧管在第3缸的進(jìn)氣渦流強(qiáng)度情況與第2缸相似。對于三葉片節(jié)氣門T1，在相同轉(zhuǎn)速下隨著負(fù)荷率的增加(即節(jié)氣門開度角的增加)，渦流強(qiáng)度呈明顯的上升趨勢。在多數(shù)中等負(fù)荷(60%負(fù)荷)和大負(fù)荷(90%負(fù)荷)的工況下，三葉片節(jié)氣門T1在第3缸進(jìn)氣歧管的渦流強(qiáng)度均大于單葉片節(jié)氣門O1，但在小開度(30%)工況下，單葉片節(jié)氣門依然具有一定的優(yōu)勢。

圖16示出12個(gè)選定的工況下，配置兩款不同節(jié)氣門的進(jìn)氣系統(tǒng)第4缸進(jìn)氣渦流強(qiáng)度的對比。可以看出，雖然在一些節(jié)氣門開度較大的工況下，三葉片節(jié)氣門T1的渦流強(qiáng)度大于單葉片節(jié)氣門O1，但在其他工況下，配置三葉片節(jié)氣門T1的第4缸出口渦流強(qiáng)度波動(dòng)較大，且相比于單葉片節(jié)氣門O1不具有明顯優(yōu)勢。由于第4缸進(jìn)氣歧管離節(jié)氣門和進(jìn)氣總管距離較遠(yuǎn)，因此三葉片節(jié)氣門T1所產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流在進(jìn)入進(jìn)氣歧管之后，在流動(dòng)過程中其旋轉(zhuǎn)動(dòng)能會(huì)發(fā)生損耗，因此對于第4岐管來說，三葉片節(jié)氣門T1在出口處的渦流強(qiáng)度相比單葉片節(jié)氣門O1優(yōu)勢并不明顯。

4 結(jié)束語

本研究建立了配置兩種不同節(jié)氣門的進(jìn)氣歧管三維幾何模型和網(wǎng)格模型；通過發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，確定了發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下特性場中具有代表性的12個(gè)工況點(diǎn)，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取和對節(jié)氣門進(jìn)氣質(zhì)量流量MAP圖的插值，確定了兩種不同進(jìn)氣歧管CFD流場計(jì)算的邊界條件；根據(jù)所確定的邊界條件對配置兩種節(jié)氣門的進(jìn)氣歧管的流場進(jìn)行CFD計(jì)算，分析了12個(gè)工況下，配置兩種不同節(jié)氣門的各缸進(jìn)氣岐管內(nèi)的進(jìn)氣流動(dòng)狀態(tài)和渦流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。

通過對計(jì)算結(jié)果的分析和比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)三葉片節(jié)氣門開度較大時(shí)，即發(fā)動(dòng)機(jī)處于中、高負(fù)荷，或發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高的情況下，由三葉片節(jié)氣門T1產(chǎn)生的進(jìn)氣渦流比單葉片節(jié)氣門O1大，且優(yōu)勢隨節(jié)氣門開度的增加而更加明顯。但在低轉(zhuǎn)速、小負(fù)荷的工況下，配置三葉片節(jié)氣門T1的進(jìn)氣歧管內(nèi)的渦流強(qiáng)度依然小于單葉片節(jié)氣門O1。

[1] 林文武.4110柴油機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)氣回流數(shù)值仿真及優(yōu)化[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[2] 黃征宏.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管材料改型設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬及優(yōu)化[D].上海： 上海交通大學(xué)，2007.

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[編輯: 李建新]

CFD Calculation and Analysis of Three-blade Throttle Intake System

NI Ji-min, LI Fei-hong, GU Shi-fan, SHI Xiu-yong

(School of Automotive Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

For a new three-blade throttle, the boundary conditions of 3D CFD calculation for intake manifold under engine steady state conditions were acquired through the engine bench test, 12 typical operating points with different speeds and loads were selected, the network models of intake manifold with single-blade and three-blade throttle were built and the CFD calculation and flow analysis were conducted. The results show that the intake swirl intensity of the three-blade throttle is greater than that of the single-blade throttle and the trend becomes more obvious with the increase of throttle opening in medium and high load, but it shows opposite trend in low speed and low load.

throttle； three-blade; CFD; flow field; intake system

2014-04-28;

2014-09-03

倪計(jì)民(1963—)，男，教授，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能與排放控制；njmwjyx@hotmail.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2014.06.006

TK421.44

B

1001-2222(2014)06-0028-05