雙對(duì)置柴油機(jī)排氣歧管CFD仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

牛海杰，王尚學(xué)，陳晉兵，董江峰，鄧玉林，仲蕾（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津300400）

雙對(duì)置柴油機(jī)排氣歧管CFD仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)

牛海杰，王尚學(xué)，陳晉兵，董江峰，鄧玉林，仲蕾
（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津300400）

雙對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)具有掃氣質(zhì)量高、低油耗、低排放及自身平衡性好等優(yōu)點(diǎn)，其中排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到雙對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)CFD軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管內(nèi)的三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，評(píng)估了各支管流量的均勻性，流動(dòng)是否發(fā)生分離，從而判斷排氣歧管設(shè)計(jì)是否合理，并對(duì)不合理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

雙對(duì)置柴油機(jī)排氣歧管CFD優(yōu)化

1 引言

雙對(duì)置發(fā)動(dòng)機(jī)（Opposed Piston Opposed Cylinder）是指對(duì)置活塞對(duì)置氣缸發(fā)動(dòng)機(jī)，與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，雙對(duì)置二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)具有掃氣質(zhì)量高，輕質(zhì)高功率，低油耗，低排放及自身平衡性好等優(yōu)點(diǎn)[1]，其中排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)三維CFD計(jì)算可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管內(nèi)氣體流通特性，評(píng)估各支管流量的均勻性，流動(dòng)是否發(fā)生分離，判斷排氣歧管設(shè)計(jì)是否合理，以便找到不合理結(jié)構(gòu)，從而有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

2 計(jì)算模型

本文涉及的雙對(duì)置柴油機(jī)主要是用于滿足空中無(wú)人平臺(tái)動(dòng)力需求而開(kāi)發(fā)的一款發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本文首先使用Pro/e建立了排氣歧管三維幾何模型，并對(duì)幾何模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，去掉了排氣安裝法蘭、安裝螺栓等部件，之后以igs格式文件導(dǎo)入ICEM-CFD軟件對(duì)計(jì)算流域進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格以四面體網(wǎng)格為主，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，在近壁區(qū)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，劃分后網(wǎng)格總數(shù)約為72萬(wàn)。圖1為劃分的網(wǎng)格模型。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格模型

3 數(shù)值模擬方法

3.1 數(shù)學(xué)模型

對(duì)于所有的流動(dòng)，F(xiàn)LUENT都是求解質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程，質(zhì)量守恒方程在流場(chǎng)中的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為連續(xù)性方程[2]：

該方程是質(zhì)量守恒方程的一般形式，它適用于可壓流動(dòng)和不可壓流動(dòng)。源項(xiàng)Sm是從分散的二級(jí)相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量，源項(xiàng)也可以是任何的自定義源項(xiàng)。

動(dòng)量守恒方程在流場(chǎng)中的數(shù)學(xué)表達(dá)，稱為運(yùn)動(dòng)方程。在慣性（非加速）坐標(biāo)系中i方向上的動(dòng)量守恒方程為：

其中，p是靜壓，τij代表應(yīng)力張量，ρgi和Fi分別為i方向上的重力體積力和外部體積力（如離散相相互作用產(chǎn)生的升力），F(xiàn)i包含了模型的其它相關(guān)源項(xiàng)，如多孔介質(zhì)和自定義源項(xiàng)。

實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管中的流動(dòng)是很復(fù)雜的，本文主要通過(guò)CFD模擬發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管內(nèi)的氣體流通特性，評(píng)估各支管流量的均勻性，流動(dòng)是否發(fā)生分離，因此本文計(jì)算時(shí)選擇理想空氣代替實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中的排氣。湍流模型選用能較好修正湍流黏度系數(shù)Cμ[3]，且易收斂的Realizable k-ε兩方程模型，該模型已被有效地應(yīng)用于自由流動(dòng)、管道內(nèi)流動(dòng)、邊界層流動(dòng)以及帶有分離的流動(dòng)等。對(duì)黏性影響比較明顯的近壁黏性底層與過(guò)渡層區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)求解，壓力和速度耦合采用SIMPLE算法[4]。

3.2 邊界條件

邊界條件是在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量或其導(dǎo)數(shù)隨時(shí)間和地點(diǎn)的變化規(guī)律，是流體運(yùn)動(dòng)邊界上控制方程應(yīng)滿足的條件，會(huì)對(duì)數(shù)值計(jì)算產(chǎn)生重要影響。常用的流動(dòng)進(jìn)出口邊界條件包括速度、質(zhì)量、壓力等進(jìn)出口邊界條件，本文模型采用4個(gè)進(jìn)口，進(jìn)口邊界條件采用的是給定壓力入口邊界條件，入口處壓力為100 kPa，溫度為873K；出口邊界條件采用給定壓力出口邊界條件，假定出口壓力為大氣壓95 kPa，由于排氣歧管進(jìn)出口溫度變化不大，出口溫度取873K。除了進(jìn)口和出口以外的其余壁面邊界都設(shè)定為絕熱無(wú)滑移壁面邊界條件。

4 結(jié)果與分析

圖2為計(jì)算得到的排氣歧管各進(jìn)口至出口管路的氣體速度流線圖，從模擬結(jié)果中可以看出，流動(dòng)不順暢的部位主要在各排氣歧管的轉(zhuǎn)角處（即圖中標(biāo)出位置），說(shuō)明氣體流動(dòng)在這些部位容易發(fā)生分離，這在設(shè)計(jì)中需要改進(jìn)的。

圖2排氣歧管速度流線圖

圖3 和圖4為計(jì)算得到的靜壓力云圖和動(dòng)壓力云圖。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在各歧管管路交匯處和排氣管路出口處附近，氣體動(dòng)壓力增大，氣體流速增加，這是因?yàn)樵诠苈方粎R處氣體流動(dòng)受到阻礙，氣體克服阻力障礙流速加快，壓力也較大，因此對(duì)管路的沖擊作用較大，在這些部位也容易發(fā)生氣體的流動(dòng)分離。

圖3 排氣歧管靜壓力云圖

圖4 排氣歧管總壓力云圖

表2為排氣歧管各管路中氣體的質(zhì)量流量，可以看出進(jìn)口1和進(jìn)口2排氣管路中氣體流量比較接近，進(jìn)口3和進(jìn)口4排氣管路中氣體流量有較大的差別，并且左右排氣管路氣體流量差別也比較大，說(shuō)明該原模型各個(gè)排氣管路的氣體流量差別比較大，各缸排氣均勻性不是很好。需要在原模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，減小左右缸支管的流通阻力，調(diào)節(jié)左右缸的流量分配。

表2 排氣歧管各管路質(zhì)量流量

表3為原排氣管方案在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)得到的發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)表。可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)與目標(biāo)值還存在一定的差距，通過(guò)對(duì)排氣管的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

5 優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于上述的仿真結(jié)果，原排氣管設(shè)計(jì)容易出現(xiàn)流動(dòng)分離及各管路氣體流動(dòng)不均勻的問(wèn)題，對(duì)排氣管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化主要是對(duì)進(jìn)口2和進(jìn)口3管路進(jìn)行的，在保證安裝空間的提前下，管路截面由圓形改成方形，管路的當(dāng)量直徑增加了24.3%，并且適當(dāng)增大了進(jìn)口1管路的截面積，截面積由900mm2增加到1 600mm2；針對(duì)流動(dòng)不順暢的區(qū)域如彎道處進(jìn)行了優(yōu)化，彎道處的曲率半徑由43mm增加到70mm，使得彎道處過(guò)渡更加平順。采用上述相同的方法，對(duì)幾何模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，對(duì)優(yōu)化后的排氣管路重新進(jìn)行了模擬計(jì)算，圖5為改進(jìn)后排氣歧管的計(jì)算網(wǎng)格模型。

表3 原排氣管方案發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

圖5改進(jìn)后排氣歧管計(jì)算網(wǎng)格模型

圖6 所示為改進(jìn)后排氣歧管各進(jìn)口至出口管路氣體的流動(dòng)跡線分布圖，從圖中可以看出，改進(jìn)后排氣歧管流動(dòng)不順暢的部位已經(jīng)變得流暢，流線沒(méi)有較大彎曲，流動(dòng)出現(xiàn)分離的現(xiàn)象得到了改善。

6 改進(jìn)前后結(jié)果分析

圖7為改進(jìn)前后排氣歧管各管路質(zhì)量流量對(duì)比圖。從圖中可以看出，改進(jìn)后各管路的質(zhì)量流量趨于一致，并且排氣量相比優(yōu)化前有所增加，說(shuō)明各歧管內(nèi)的氣體流量的均勻性比較好，排氣的均勻性得到了提升。改進(jìn)后的排氣歧管避免了排氣出現(xiàn)分離的現(xiàn)象，并且提升了各管路的流動(dòng)均勻性，減少了排氣流動(dòng)阻力。

表4為改進(jìn)前后發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)，從中可以看出，在標(biāo)定點(diǎn)工況下，改進(jìn)后發(fā)動(dòng)機(jī)的功率增加了5.2%，油耗和排溫分別降低了1.3%和4.4%，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)值，提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。

圖6 改進(jìn)后排氣歧管速度流線圖

圖7 改進(jìn)前后排氣歧管各管路質(zhì)量流量對(duì)比

7 結(jié)論

本文針對(duì)雙對(duì)置柴油機(jī)排氣歧管進(jìn)行了三維流動(dòng)模擬，通過(guò)計(jì)算對(duì)原模型中不合理的區(qū)域進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升了排氣系統(tǒng)各支管流量的均勻性，避免了氣體流動(dòng)發(fā)生分離，使得排氣更加順暢，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)排氣歧管的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

表4 優(yōu)化前后發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

[1]趙曉輝，張翼，許俊峰.OPOC發(fā)動(dòng)機(jī)研究綜述[J].內(nèi)燃機(jī)配件，2012（11）.

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[3]Shin T H,LiouW W,ShabbirA,etal.A New Eddy Viscosity Mode for High ReynoldsNumber Turbulent Flow[J].Computersand Fluids,1995,24 (3)：227-238.

[4]李鵬飛，徐敏義，王飛飛.精通CFD工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)[M].北京，人民郵電出版社，2011：190-195.

The CFDSimulation and Optimization Design ofOpposed Piston and Opposed Cylinder Engine ExhaustManifold

Niu Haijie,Wang Shangxue,Chen Jinbing,Dong Jiangfeng,Deng Yulin,Zhong Lei
（ChinaNorth Engine Research Institute,Tianjin 300400,China）

Opposed piston and opposed cylinder engine has the advantages ofhigh scavenging quality, low fuel consumption,low emissionsand good balance etc.Among exhaustsystem design is directly related to the engine performance and economy.Base on the CFD soft,this paper simulates the internal flow of engine exhaustmanifold,in order to evaluate the uniformity of eachmanifold,whether the flow separation occurs,to estimate whether the exhaust manifold design is reasonable,and optimize the unreasonable structure,to improve theengine performance.

opposed piston and opposed cylinder engine,exhaustmanifold,CFD, optim ization

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.02.007

來(lái)稿日期：2016-11-14

牛海杰（1986-）男，助理研究員，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)總體性能研究工作。