煤礦用防爆水冷進排氣歧管的仿真分析

王曉

(中煤科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

近年來,由于煤礦井下無軌輔助運輸設備的快速發展，以防爆柴油機為動力源的防爆車輛得到了廣泛的應用。防爆柴油機相對其他動力源,效率高、能耗小，但由于煤礦井下的特殊性，其與普通柴油機是有區別的[1-7],其結構、性能、排放等需滿足MT 990—2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》的要求。因此，防爆柴油機及其部件的防爆設計成為煤礦防爆柴油機設計的一個重要環節，也是一個難點問題[8-11]。

進氣歧管和排氣歧管是柴油發動機進氣系統和排氣系統中非常重要的部件，因此進氣、排氣歧管是柴油機進行防爆設計改造中的重點和難點。對于某型防爆柴油機，其進氣歧管和排氣歧管分布在缸體的一側，布置緊湊，空間有限，分開設計防爆進氣歧管和防爆排氣歧管是不可行的。因此，設計一個符合防爆要求的，將進氣歧管和排氣歧管合理地集成在一塊的一體式水冷進排氣歧管是非常必要的。本文應用流體動力學原理，對進、排氣歧管內部壓力和速度的分布進行了模擬和分析，在此基礎上，對其進行了優化改進。

1 進排氣歧管氣體流動數學模型

根據質量守恒定律，其方程微分形式為[12-13]：

(1)

其動量方程為：

(2)

(3)

能量方程微分形式為：

(4)

動能方程為：

(5)

對于湍流效應，工程上通常利用湍流模擬，通過數學模型來解決，以使湍流流動的方程組封閉。湍流模型是雙方程模型中的一種，其計算量適中，針對工程上的流動問題，能給出比較合理的結果，是柴油發動機缸內及進排氣系統內氣體流動計算中常采用的湍流模型，故本文采用雙方程模型來模擬湍流效應。

k方程為：

(6)

ε方程為：

(7)

式中：δk為k方程中的常數；μl為ε方程中的常數。

2 進排氣歧管的物理模型

某型防爆柴油機的一體式水冷進排氣歧管的內部結構如圖1所示。為了保證防爆柴油機工作時該進排氣歧管的外表面表溫不高于150 ℃，滿足MT 990—2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》的要求，該進排氣歧管在進排氣腔外增設水套，進排氣歧管中進氣腔和排氣腔中的氣體的外壁不直接和空氣接觸，而是被外側的水套包裹起來。當防爆柴油機工作時，水套中的水不斷循環冷卻進氣和排氣，使歧管中的尾氣溫度得到降低，形成了防爆柴油機尾氣冷卻的第一道冷卻裝置。

1-連接管；2-安裝孔；3-水腔2；4-水腔1；5-排氣脈沖腔；6-排氣口；7-進氣口。圖1 一體式水冷進排氣歧管的結構示意圖

3 進排氣歧管內部流體分析

采用CFD分析方法對某型防爆柴油機一體式進排氣歧管穩流特性進行分析研究。

圖2和圖3分別為一體式進排氣歧管內進氣部分的內部流動y截面的壓力、速度場分布。從圖2和圖3中看出,從1缸到6缸隨著流動路徑的增長，流體流速逐漸減小。

圖4為進氣凸臺處速度場分布。從圖4可以看出，1缸和6缸進氣歧管和進氣道接口處的凸臺處出現了流體流動不暢，速度、壓強分布不均勻的現象。

圖2 進氣y截面壓力分布

圖3 進氣y截面速度分布

圖4 進氣凸臺處速度分布

圖5和圖6分別為一體式進排氣歧管內排氣部分的內部流動y截面的壓力、速度場分布。從圖5和圖6中可以看出，排氣出口在前端，各缸氣體從排氣道流入后主要流向前段的出口區域，導致其末端(6缸后端)的歧管空間內部流速較低。

圖5 排氣y截面壓力分布

圖6 排氣y截面速度分布

圖7為排氣凸臺處速度場分布。從圖7可以看出，各缸排氣歧管和排氣道接口處的凸臺出出現了流體流動不暢，速度、壓強分布不均勻的現象。

圖7 排氣凸臺處速度分布

4 進排氣歧管優化后內部流體分析

基于圖2～圖7的分析結果，結合該型防爆柴油機的實際工作情況，對該一體式水冷進排氣歧管進行了結構優化設計，消除了流動死區，優化后結構如圖8所示。

1-安裝孔；2-排氣脈沖空；3-排氣口；4-水腔1；5-水腔2；6-進氣口。圖8 優化后的一體式水冷進排氣歧管的幾何模型

圖9 優化后進氣y截面壓力分布

圖9和圖10分別為優化后一體式進排氣歧管內進氣部分的內部流動y截面的壓力、速度場分布，圖11為優化后進氣凸臺處速度場分布。從圖9～圖11可以看出：

進氣由歧管到氣道之間的過渡更順暢，y截面的速度分布與優化前相比，歧管內部速度分布更加均勻，局部低速區域得到緩解。進氣凸臺處流動分布得到顯著改善。

圖10 優化后進氣y截面速度分布

圖11 優化后進氣凸臺處速度分布

圖12和圖13分別為優化后一體式進排氣歧管內排氣部分的內部流動y截面的壓力、速度場分布,圖14為優化后排氣凸臺處速度場分布。

圖12 優化后排氣y截面壓力分布

圖13 優化后排氣y截面速度分布

圖14 優化后排氣凸臺處速度分布

從圖12～圖14中可以看出：與優化前相比，排氣由歧管到氣道之間的過渡更順暢，y截面的速度和壓力分布更加均勻，局部低速區域得到緩解。排氣凸臺處流動分布比優化前順暢很多，速度和壓力的分布也比優化前均勻。

5 結論

從解決防爆柴油機進排氣布置在缸體一側的目標出發，基于進排氣流體數學模型和《礦用防爆柴油機通用技術條件》標準，對一體式水冷進排氣歧管進行了仿真分析及優化設計。優化后的一體式水冷進排氣歧管，進排氣由歧管到氣道之間的過渡更順暢，截面的速度和壓力分布更加均勻，局部低速區域得到緩解；進排氣凸臺處流動分布比優化前順暢很多，速度和壓力的分布也比優化前均勻。