柴油機氣體流動多維數值模擬研究

王亞雷 ， 康健健

（河南科技職業大學，河南 周口 466000）

在進氣系統進氣及壓縮時，體系處于復雜的流動狀態，且受到外界的多重作用，往往容易發生變化。在此狀態下，氣體的速度、壓力等基本參數就將處于非均勻狀態下，與時間、位置等有著緊密關系，需要結合熱力學、流體力學等領域的理論展開分析。當前，我國在柴油機氣體流動的科研中大多采用實驗、模擬相結合的方式。作為獲取實際數據、描述工作過程的一項重要手段，實驗能夠準確、客觀地將氣體流動作為一個綜合性進程進行表達，但往往需要配備多種設備機械，且實驗周期一般較長[1]。此外，對于部分難以實測得到的數據欠缺研究手段。而數值模擬則能夠充分發揮計算機分析的優勢，基于基礎理論得到具體的研究結果，并與實驗數據形成相互對照[2]。不同于實驗，數值模擬在研究中具有突出的便捷性、時效性及經濟性，能夠準確定位影響柴油機工作的關鍵因素，進而指導技術人員改進氣體系統設計，將產品的成本、性能控制在合理的范圍內。借助數值模擬可以較為詳細且全面地獲得缸內氣體的流動情況，所以為了提升數值模擬的實際應用效果，改進柴油機設計，需要明確氣體的基本參數，建立與之相對應的計算流體動力學模型完成分析。

1 氣體流動數值模擬計算的方法

本研究選擇應用高階差分格式來應對其存在的缺陷。其中，考慮到二階迎風格式能夠達到三階精度，且其在方程守恒上的控制效果比較好，所以最終選定該方法。

為了提升數值模擬與實驗實測之間的擬合性，在開展柴油機缸內氣體分析時需要充分考慮變量間的耦合作用，特別是在分析速度、壓力等參數時應尤為關注。實踐表明，速度、壓力間的耦合作用比較普遍且突出，這也就導致氣體流動的模擬難度較大[3]。氣體壓力是求解方程組過程中重要的基本參數，但該參數不能獨立建立起一個方程進行求解。在這樣的情況下，就需要采取一定措施來分離氣體速度及壓力之間的耦合作用，本研究采用SIMIPLE算法。

SIMIPLE算法是目前實踐中解決氣體速度與壓力耦合作用的常用方法，其主要借助半隱式法來完成求解[4]。這一算法的基本思路在于通過迭代法完成速度求解，并在速度求解方程中預先設定初始壓力值，并通過動量方程計算獲得影響的速度場。在此計算模式下，如果能夠在連續性方程中實現守恒，那么就表明模擬與實際能夠達成較好的擬合；如果連續性方程不能實現守恒，那么就表明模擬與實際不能達成較好的擬合，需對預設壓力進行適當的調整，并重復上述流程，迭代至符合要求。

雖然SIMPLE算法能夠很好地適應氣體速度與壓力的耦合問題，但其也存在收斂性問題，隨著實踐及研究的不斷深入，這一問題逐步得到了改善。

2 三維模型的建立

由于柴油機的內部形狀比較復雜且與各個燃燒室相連接的通道尺寸不一，這也就導致在劃分模型單元時需要慎重考慮。此外，柴油機缸內氣體的速度一般較大，且伴隨存在不均勻的流場，這對分析計算過程將帶來較為顯著的不利影響。同時，為了確保數值分析結果具有足夠的精度，需要確保分析模型與實體構件的尺寸形狀完全相同[5]。本研究借助UGNX軟件完成柴油機的建模工作，模型包括了柴油機系統內外各個構件。

根據柴油機實際構件的形狀及尺寸，通過人工測量及繪制，通過UGNX軟件得到相應的模型，三維實體模型如圖1所示。考慮到氣門位置處的氣體流動比較敏感，所以在完成該位置建模時需要盡可能提升模型精度。

圖1 三維實體模型

2.1 計算網格的劃分

作為影響數值分析精確度及可靠性的關鍵環節，網格劃分即將待解的空間劃分為單元。借助守恒方程及數學模型對微小單元進行分析即可得出各單元內氣體的速度[6]。本研究所分析的柴油機雖然在氣道位置幾何形狀比較簡單，但在接口處往往存在較多的幾何變換，并對氣流的敏感性較為突出，所以在劃分網格時應當特別注意這些位置的單元優化。模擬過程包括了柴油機的進氣與壓縮兩個環節，且會伴隨產生氣門、活塞空間位置的變化，因此網格也就會出現變動。

2.2 初始條件的設定

在完成模型建立與網格劃分后，如果想要得到準確、可靠的分析結果，則需要確定合適的求解條件，主要包括了邊界條件及初始條件兩大類。其中，初始條件也即柴油機缸內氣體的初始速度、壓力、溫度等基本參數，如有必要，不同區域的初始條件可根據實際情況分別定義。在本研究中分別對缸內、排氣管等位置賦予了不同的初始條件，其具體參數的確定可以以GT-POWER軟件仿真模擬結果為準。在過去的許多研究中，為了簡化工作量，初始條件及邊界條件依賴于技術人員的經驗來確定，這也會在一定程度上導致結果的偏差。而在仿真軟件的支持下，則能夠顯著提升參數的客觀性，確保溫度、壓力等參數能夠被控制在合理的范圍內，并以此來描述實際工作中氣體的狀態。由此可以發現，GT-POWER得到的初始條件對于改善數值模擬水平而言有著積極意義。

2.3 邊界條件的設置

邊界條件主要包括了氣體的物理邊界及傳熱系數等，對于流場計算起著關鍵影響。由于邊界條件的內容比較繁雜且受到多重因素的影響，因此需要根據實際情況選擇相應的邊界條件[7]。在本研究的數值模擬分析中，邊界條件應當重點考慮固定壁面、流動邊界及壓力邊界等。

1）壓力進出口邊界條件。在進出口邊界條件時，AVL FIRE給定了許多不同的定義方法，柴油機內的氣體實際速度難以得到準確的數值，但進出口位置的壓力參數卻可獲得比較精準的數值，所以選用壓力作為進出口的邊界條件。具體來看，進出口位置的壓力即在給定的邊界上靜壓的具體數值。此外，還需要充分考慮到溫度對氣體的影響，一般通過控制進氣道溫度來達到控制效果。由于進出口與氣缸之間存在不可忽視的距離，因此溫度邊界可粗略看作不變量進行處理，具體值可由GT-POWER通過仿真模擬得出。

2）固定壁面邊界條件。數值模擬時一般可將壁面邊界看作流體運動的物理邊界，并以此構建邊界條件。在分析流體運動過程時，壁面碰撞是不可忽略的一項因素，且其對模擬分析的影響往往十分突出[8]。特別是在壁面附近區域，速度、壓力等基本參數往往會發生顯著的變化，因此就需要充分重視這一影響，借助準確、可靠的壁面邊界條件來描述物理邊界，并以此判斷模型建立是否合理。對于柴油機的不同組成部分，其壁面邊界條件往往不同，需要予以區分對待[9]。考慮到壁面對于流體溫度及速度等參數存在影響，因此其也并非定值。壁面的溫度選用絕熱條件，壁面的速度選用無滑移邊界條件，在確定壁面速度邊界條件時需要考慮到邊界層的影響，所以本研究選用湍流壁面律來完成處理。

3）其他邊界條件。為了定義連接或分離的網格邊界，一般可借助附加邊界的方法進行處理。

3 柴油機氣體流動過程三維數值分析

在數值模擬中，將發動機轉速定義為2 600 r/min，以此運算得到流場的速度、壓力以及動能分布。本研究重點在于壓縮時的流場狀態，因此進氣過程則可以用簡略形式進行描述。此外，在345°CA～350°CA的過程中，由于氣門升程始終處于較小的水平，因此分析可以將350°CA作為始點。為了簡化分析說明，可將正截面看作經過氣門中心線與缸蓋頂面垂直的截面；將側截面看作經過渦流室中心線與缸蓋頂面垂直的截面[10]。

圖2即為柴油機優化前后缸內充量的比對圖。根據圖中曲線可以發現，優化前后缸內充量的變化趨勢基本重合，而改進后曲線在初期略高于原柴油機。而在下止點之前的區段內，優化前后缸內充量的曲線相差不大，可視為重合進行處理。而在排氣門關閉后，缸內充量則變為定值。總體來看，優化處理對于缸內充量而言有著一定的提升效果。

圖2 缸內充量變化

圖3即為柴油機優化前后缸內平均溫度的比對圖。根據圖中曲線可以發現，優化前后缸內平均溫度的變化趨勢基本重合，而改進后曲線在初期略高于原柴油機。而在后續區段內，優化前后缸內充量的曲線相差不大，可視為重合進行處理。

圖3 缸內平均溫度變化

圖4即為柴油機優化前后缸內平均壓力的比對圖。根據圖中曲線可以發現，優化前后缸內平均壓力的曲線基本重合。

圖4 缸內平均壓力變化

圖5即為柴油機優化前后缸內平均湍動能的比對圖。根據圖中曲線可以發現，進氣階段優化后的湍動能存在較為顯著的變化，整體呈現出現上升后下降的趨勢。同時，原柴油機的曲線也存在類似變化趨勢，但相對緩和。

圖5 缸內平均湍動能變化

4 結語

總體來看，本研究結合柴油機實例，基于FIRE軟件對進氣及壓縮進程完成了模擬，并進一步得到了缸內氣體的速度、溫度機壓力等基本參數的變化趨勢。同時，以此為基礎對原柴油機進行優化，調整其連接通道及配氣相位。對優化前后柴油機的模擬結果進行分析，可以得出以下結論：

1）經優化處理后的柴油機缸內充量會發生略微增長，這也表明優化處理后的配氣相位角有助于為氣缸提供更為充足的進氣量。

2）根據平均壓力及平均溫度曲線的比對分析可以發現，改進配氣相位角對于缸內溫度及壓力的影響較為微弱，可視為基本相同。

3）根據缸內平均湍動能的比對分析可以發現，進氣環節中經優化處理后的缸內湍動能將發生比較顯著的變化，使得缸內氣流更加不穩定。

4）借助計算流體動力學分析軟件能夠較為有效地模擬柴油機缸內氣體的流動，有助于優化設計。