提高汽油機氣道流動仿真精度的分析

關鍵詞：氣道；流動仿真；精度；流量系數；湍流比

0前言

發動機缸內良好的氣流組織對提升燃油經濟性、動力性和降低排放都有顯著的作用。進氣道是組織發動機缸內流動的關鍵部件，其結構決定空氣進入氣缸后的流動狀態，直接影響油氣混合及燃燒效率。因此進氣道開發是發動機燃燒系統研發的關鍵項目。隨著計算流體力學（CFD）技術的快速發展，當前普遍采用仿真計算及試驗驗證的方法來指導氣道設計。OLIVER 等［1］對某汽油缸內直噴（GDI）發動機氣道進行了穩態和瞬態計算，通過仿真計算和試驗結果的對比，驗證了計算結果的可靠性，同時研究了缸內湍流的特征和運動規律。ADOMEIT 等［2-3］采用CFD 仿真計算對氣道進行了設計優化，并研究了氣道對汽油機燃燒性能的影響。樓狄明等［4］利用穩態氣道試驗臺架和三維仿真工具，研究了不同結構進氣道對缸內穩態、瞬態湍流強度和燃燒性能的影響。陳旗奇等［5］通過氣道穩態和瞬態流動分析優化了氣道結構設計。

以上諸多研究主要集中在利用氣道流動CFD仿真或氣道試驗方法進行氣道結構改進優化，對氣道流動仿真精度關注較少，關于仿真軟件中不同參數的敏感性影響鮮有研究。如果仿真與試驗差異較大，勢必影響甚至誤導氣道的優化設計，直接影響整機性能［6］。因此，提高氣道仿真精度意義重大，需要重點研究。本文基于StarCCM+流體分析軟件對影響氣道仿真精度的多因素進行了大量計算，并與粒子圖像速度場儀（PIV）試驗結果進行對比分析，探索出一套合理的CFD 仿真參數和計算方法，得以精確預測氣道流動性能。

1 氣道流動仿真

1. 1 網格生成

本文采用StarCCM+ 流體分析軟件進行氣道流動仿真計算，幾何模型一般包括進氣道、進氣門、氣門座圈、缸蓋燃燒室以及模擬缸套等部件。為保證模擬精度，進口采用半球形狀，模擬大氣環境，如圖1 所示。

1. 2 數值計算方法及邊界條件設置

進氣道流動分析的控制方程包括連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程和氣體狀態方程。湍流模型采用標準的k- ε 模型；離散方程組的壓力和速度耦合采用SIMPLE 算法；空間網格采用二階混合差分格式。固定壁面邊界采用絕熱無滑移，壁面溫度300 K。采用壁面函數對邊界層進行處理。與氣道試驗類似，進、出口采用定壓差（3.43 kPa）設定。高壓差下氣流的雷諾數較高，以紊流狀態進入氣道和缸內。研究表明，當超過一定的氣道壓差，氣道的流量系數、湍流比在不同壓差下的試驗結果基本一致，因此采用變壓差方法可以大量縮短試驗時間。由于氣體流速遠低于聲速，計算采用常密度空氣進行。

1. 3 流量系數及湍流比計算方法

計算總共包括8 個氣門升程（1～8 mm）下的流量系數和湍流比，再進行積分計算平均流量系數和湍流比。圖2 為氣道湍流比計算方法，流量系數計算以氣門座圈內徑為參考直徑，湍流比在0.5 倍的缸徑上進行計算。流量系數、湍流比和渦流比的計算公式為：

2 PIV 試驗設備及原理

氣道試驗有Ricardo 蜂窩動量計及FEV 葉片式等宏觀評價方法，這些測試方式本身帶有一定阻力，會造成能量的損失，從而影響到缸內氣流流動。為了微觀評測流場結構，同時能直觀地與仿真計算結果進行直接對比，本文采用PIV 進行氣道試驗。PIV 試驗的設備主要由1 個激光發射器、2 個攝像頭、透明的光學模擬缸套及后處理計算機組成，如圖3 所示。PIV 試驗通過抽風，使空氣流經氣道，通過采集示蹤粒子穿過在0.5 倍缸徑處監測面激光留下的圖像，由計算軟件進行該監測面上的速度圖形的處理，結合流量計讀數，類似CFD 流動仿真計算湍流比和流量系數。

3 仿真計算參數影響分析

3. 1 網格尺寸

本文采取網格尺寸為0.6 mm、1.0 mm、和2.0 mm3種方案研究不同網格參數對流通性能的影響。3 種方案的計算結果與PIV 試驗結果的對比如圖4、圖5所示。由圖4、圖5 可以看出：不同網格參數對流量系統的影響較小；不同網格尺寸的湍流比差異略大，總體上1.0 mm 方案更接近真實值，說明網格尺寸對湍流比的影響較大。較大的網格難以捕捉幾何細節，易造成仿真的失真。較小的網格會增加網格之間信息傳遞誤差并耗費大量計算資源，因而需要采用合適的網格尺寸以保證計算的準確性。對幾何模型不規則且氣流變化較大的地方需要進行加密處理。

3. 2 邊界層厚度

邊界層影響貼近壁面的流動黏性力。邊界層由壁面函數來處理，邊界層厚度過小會導致壁面黏性力難以捕捉，邊界層厚度過大會導致邊界流速偏低。小氣門升程由于氣道喉口處較窄，需要減小邊界層厚度。本文對比了邊界層厚度為0.2 mm、0.4 mm 和0.8 mm 3種方案對氣道平均流通性能的影響，結果如圖6、圖7 所示。由圖6、圖7 可以看出：邊界層對流量系數和湍流比影響均較大，邊界層厚度為0.2 mm 的方案與PIV 試驗結果更加吻合。

3. 3 粗糙度

不同的氣道材料影響氣道表面粗糙度，粗糙度過大會增加氣道流動的沿程阻力，造成流動能量損失，從而導致流量系數降低。本文研究了粗糙度分別為1 mm、5 mm 2 種方案，研究粗糙度對氣道平均流通性能影響，并與光滑壁面進行對比，結果如圖8、圖9 所示。

由圖8、圖9 可以看出：粗糙度越大，流量系數略有下降，粗糙度對湍流影響不大，總體上粗糙度在仿真計算中影響較小。

3. 4 入口形狀

對于氣道傾斜入口的形狀，需要延長一段以保證氣流方向與氣道進口方向一致，否則氣流將沿著氣道下部流入氣道，與實際發動機氣道流動偏離較大，對計算結果產生影響，如圖10 所示。不同入口形狀氣道對各氣門升程下流通性能的影響如圖11、圖12 所示。

由圖11、圖12 可以看出：傾斜入口的流量系數低于垂直入口的流量系數；由于入口較氣道喉口較遠，入口形狀對湍流影響較小。因此在進行CFD穩態流動分析時應該注意氣道入口幾何形狀以保證計算準確。

3. 5 流動仿真與PIV試驗對比

由于流動仿真的工況與PIV 試驗計算的工況基本相同，因而CFD 仿真與PIV 試驗有著較強的可比性。仿真計算中邊界層厚度設置為0.2 mm，面網格尺寸為1 mm，光滑壁面。仿真計算結果與PIV 試驗結果對比如圖13、圖14 所示。由圖13、圖14 可以看出：氣門升程在3 mm 以下，由于氣道喉口處湍流較強，CFD 仿真結果出現非對稱現象，與PIV 試驗結果有一定差異；在中、高氣門升程的流場分布與試驗結果較相似，較好地驗證了仿真計算的準確性。

4結語

利用StarCCM+ 流體分析軟件研究了不同網格尺寸、粗糙度、邊界層厚度及不同入口形狀等參數對氣道流動性能的影響，結果表明：網格尺寸對流量系數的影響較小，對湍流比的影響較大，推薦采用1 mm 網格尺寸方案較合適。邊界層的厚度對流量系數和湍流比影響均較大，推薦采用0.2 mm邊界層厚度方案較合適。表面粗糙度會對流量系數及湍流比產生的影響較小，建議采用光滑壁面。傾斜入口會降低一定的流量系數，對湍流比影響較小，建議采用垂直入口較合理。優化參數后的CFD 仿真與PIV 試驗結果在中、高氣門升程下的流場分布較吻合，表明仿真具有較高的精度。仿真計算能夠較精確地預測真實氣道流動性能，可明顯縮短氣道開發時間，降低開發成本。