仿生非光滑表面对车用柴油机螺旋进气道流通特性的影响

隗海林，王海洲，倪伟新，陈运峰，李 君

（1.吉林大学 交通学院，长春130022；2.吉林大学 汽车工程学院，长春130022）

进气过程是决定柴油机换气质量优劣的重要条件之一。在这一过程中，柴油机进气道的流通特性对气缸内空气的运动状态起着决定性作用，将直接影响燃料的雾化、混合和燃烧过程，进而对发动机的动力性、经济性及排放性能等产生较大影响［1］。通常采用流量系数和涡流比来评价车用柴油机进气道的流通特性，本文研究主要针对一汽－大柴半开式燃烧室车用柴油机。半开式燃烧室需要较强的进气涡流。通过大量研究证明，进气道的流量系数和涡流强度一般呈现trade off关系，如何能在保证流量系数的前提下，提高进气道涡流强度是现阶段研究的难点。国内外学者对此的研究主要集中于调整进气道的结构、形态和重新布局上，如螺旋进气道角度变化、双进气道布置、可变进气管道设置、气门及气门座位置等［2－3］。

近十年，仿生非光滑表面的减粘降阻效应日益被人们所重视。通过研究水中鱼类和空中鸟类的体表发现了仿生非光滑表面在流体中具有减粘降阻的效用［4－6］。本文利用了仿生非光滑表面的减粘降阻效应，并用CFD数值模拟方法验证了仿生非光滑表面对车用柴油机螺旋进气道流通特性的影响。

1 进气道流通特性评价方法及指标

目前国内外常用于评价柴油机进气道流通特性主要有Ricardo方法、FEV方法和AVL方法三种［7］。本文选择Ricar do评价方法对仿生非光滑表面进气道的流通特性进行测评。Ricardo方法采用定压差法，将进出口的压力设定，保证一定的压力差，并测量在不同气门升程下气缸内的涡流比和流量系数。

（1）流量系数。流量系数指实际通进气道的空气质量流率与通过气门座处的理论空气速度与面积之积的比值，其计算公式为：

流量系数的平均值为：

式中：α1、α2分别为气门开启、关闭时的曲轴转角。

（2）涡流比。涡流强度计算公式为：

式中：ωR为叶片风速仪转速；D为缸径。

Ricar do定义的涡流比为模拟气缸中涡流旋转转速与发动机曲轴转速之比。对于进气终了时气缸内的涡流比的预测常采用平均涡流比RS：

式中：LD为发动机的形状系数，LD＝DS／（nB2），S为活塞行程。

2 仿生非光滑单元体的提取

由于自然界中很多生物的非光滑体表可以产生良好的减粘降阻效果，但由于其结构及外形较为复杂，并不能直接应用到螺旋进气道的内表面上。因此在进行设计之前需对图形进行处理，通过数学抽象方法对仿生非光滑单元体的形状和尺寸进行简化。土壤生物蜣螂的头部具有明显的凹凸状，如图1（a）所示［8］。鲨鱼的沟槽状鳞片（见图1（b）［9］）使其减小了与水的阻力，文献［10］中抽象出了其鳞片结构的数学模型，信鸽的尾羽羽枝上的沟槽状结构（见图1（c））使其在空中更快地飞翔。蝴蝶的翅面形成的鳞片形态（见图1（d）［11］），也减小了与空气的阻力。

表1为目前仿生单元体在日常生活中的应用情况及相关的减阻原理。通过分析上述生物所具有的非光滑体表，可以将常见的非光滑单元体概括抽象为凸包、凹坑和沟槽3大类。

表1 四种单元体的应用、减阻原理及单元体选用尺寸Table 1 Application and Fricton reduction mechanism of f our kinds elements with the size of f our kinds non-smooth elements

图1 四种生物的非光滑体表形态Fig.1 Non-smooth surf ace shapes of four kinds of creatures

本文中选用凸包、凹坑、U形沟槽和V型沟槽4种仿生非光滑单元体（如图2所示）对柴油机螺旋进气道内表面进行处理。图2中d表示单元体的宽度，h表示单元体的深度，论文中4种仿生非光滑单元体的深度h选择0.5、1.0和1.5 mm，凹坑形和凸包形单元体宽度d选择3、4和5 mm；V形沟槽单元体宽度d选择1、2和3 mm；U形沟槽单元体宽度d选择4、6和8 mm，如表1所示。

图2 四种非光滑单元体Fig.2 Four kinds of non-smooth elements

3 柴油机进气道CFD数值模拟

3.1 进气道模型构建及网格划分

本文采用的进气道原型来自于一汽－大柴的柴油发动机，具体参数如表2所示。

表2 一汽－大柴柴油发动机参数Table 2 Parameter of FAW-disel engine

参考原进气道利用CATIA软件对其进行三维建模，并在原模型的基础上对内表面进行仿生非光滑单元体的创建。光滑表面进气道及仿生非光滑表面进气道创建完成后对其进行网格划分，本文中选用Hyper mesh软件来实现进气道模型的网格划分。基于进气道的复杂形态，选择非结构四面体网格。仿生非光滑单元体为毫米级，为了使流场计算准确，需要对进气道仿生非光滑单元体处进行网格细分，网格生成时设置边界层厚度为2 mm，最小网格尺寸选择0.8 mm，模型的稳压箱［14］及气缸部分网格可以相对较大些，最大网格尺寸选择3 mm。图3和图4为原模型与稳流试验CFD数值模拟结果对比。仿真试验获得的流量系数和涡流比与稳流试验获得的值变化趋势具有良好的一致性。

最终整个进气道的网格数目为80～120万。部分进气道模型及网格划分如图5所示。各分图题中，前边的尺寸表示单元体的宽度，后边的尺寸表示单元体的深度。

图3 流量系数模拟试验值与稳流试验值对比Fig.3 Comparison of experimental value of flow coefficient si mulation and steady flow

图4 涡流比模拟试验值与稳流试验值对比Fig.4 Comparison of experi mental value of swirl ratio simulation and steady flow

图5 四种仿生非光滑表面进气道网格模型Fig.5 Mesh models of bionic non-smooth surface Diesel intak port

3.2 柴油机进气道模型模拟计算

将气门升程分别为6、8和10 mm的各个仿生非光滑表面进气道网格模型以.cas格式导入到FLUENT软件中，选择气体流体控制方程，标准的k－ε方程作为湍流输运方程。对上述控制方程应用有限容积法对其进行离散，选择二阶迎风离散格式；选用SI MPLE算法对控制方程进行求解；边界条件选择进口压力和出口压力，分别设置为99350 Pa和92850 Pa；壁面温度设置为290 K；残差精度设置为1×10－5，在1000步左右收敛，以气门升程为10 mm，凸包宽度为5 mm，深度为1.5 mm的进气道模型收敛图为例，其残差图如图6所示。

图6 凸包进气道残差图Fig.6 Residual plot of convexity element diesel intake port

本文按照Ricardo评价方法进行数值计算，进气道数值模拟完成后按照式（1）～（4）来求得涡流比和流量系数。

4 柴油机进气道模拟数据分析

4.1 凹坑形仿生非光滑表面进气道流通特性

凹坑形仿生非光滑表面进气道模型通过CFD数值模拟后计算流量系数和涡流比，部分模型的数值如表3所示。从表3可以看出：凹坑形仿生非光滑表面柴油机进气道流量系数较原光滑进气道减小，但减小的数值很小，气门升程为10 mm和8 mm时，减小率在1%左右，气门升程为6 mm时，减小率达到了4%～5%。考虑到仿真试验存在一定误差，减小率在误差范围之内；凹坑形仿生非光滑表面柴油机进气道涡流比与原光滑进气道相比有很大增幅，平均增幅达到38%，在气门大升程时，涡流比增幅小，气门小升程时，涡流比增幅大；考虑到进气道流量系数和涡流比的trade off关系及实际匹配要求，可以认为凹坑形单元体对进气道流通特性的改善有较大的促进作用。

表3 凹坑形仿生非光滑表面进气道流量系数和涡流比Table 3 Flow coefficient and swirl ratio of partial intake port models with pit bionic non-smooth surface

4.2 凸包形仿生非光滑表面进气道流通特性

凸包形仿生非光滑表面进气道模型通过CFD数值模拟后计算流量系数和涡流比，部分模型的数值如表4所示。从表4可以看出：凸包形仿生非光滑表面柴油机进气道流量系数较原光滑进气道减小，减小率比凹坑形进气道数值大，气门升程为10 mm时，平均减小率为2.05%，气门升程为8 mm时，平均减小率为3.06%；气门升程为6 mm时，平均减小率为7.35%。气门大升程时，减小率在试验误差范围内，气门小升程时非光滑表面对进气流量系数有抑制作用。凸包形仿生非光滑表面柴油机进气道涡流比与原光滑进气道相比有大增幅，但增幅要小于凹坑形非光滑进气道，平均增幅为15.81%，考虑到流量系数和涡流比的trade off关系及实际匹配要求，可以认为凸包形单元体对进气道流通特性的改善有一定的促进作用。

表4 凸包形仿生非光滑表面进气道流量系数和涡流比Table 4 Flow coefficient and swirl ratio of partial intake port models with convexity bionic non-smooth surface

4.3 U形沟槽仿生非光滑表面进气道流通特性

U形沟槽仿生非光滑表面进气道模型通过CFD数值模拟后计算流量系数和涡流比，部分模型的数值如表5所示。

表5 U形沟槽仿生非光滑表面进气道流量系数和涡流比Table 5 Flow coefficient and swirl ratio of partial intake port models with U shape groove bionic non-smooth surface

从表5可以看出：U形沟槽仿生非光滑表面柴油机进气道流量系数较原光滑进气道减小，但数值变化不大，气门升程为10 mm和8 mm时减小率为1%左右，气门升程为6 mm时，减小率为5%左右，可以认为大气门升程时U形沟槽单元体对进气道流量系数影响小，小气门升程时影响较大。U形沟槽仿生非光滑表面柴油机进气道涡流比与原光滑进气道相比有较大增幅，个别模型涡流比有所减小，可能与所选U形沟槽单元体的尺寸有关。其平均增大量为16.74%，考虑到流量系数和涡流比的trade off关系及实际匹配要求，可以认为U形沟槽单元体对进气道流通特性有一定的促进作用。

4.4 V形沟槽仿生非光滑表面进气道流通特性

V形沟槽仿生非光滑表面进气道模型通过数值模拟后输出流量系数和涡流比，部分模型的数值如表6所示。从表6可以看出：V形沟槽仿生非光滑表面柴油机进气道流量系数较原光滑进气道既有增加，也有减小，且数值不是很确定。气门升程为10 mm和8 mm时，V形沟槽仿生非光滑进气道的流量系数都增加，平均增幅为2.76%和1.94%；气门升程为6 mm时，流量系数减小，平均减小率为2.83%左右；无论增加还是减小，其数值变化范围很小，考虑到仿真试验存在误差，将其归到误差范围之内。V形沟槽仿生非光滑表面柴油机进气道涡流比与原光滑进气道相比有较大增幅，个别模型有所减小，可能与所选V形沟槽单元体尺寸有关。其平均增幅为14.66%，考虑到流量系数和涡流比的trade off关系及实际匹配要求，可以认为V形沟槽单元体对进气道流通特性有较大的促进作用。

表6 V形沟槽仿生非光滑表面进气道流量系数和涡流比Table 6 Flow coefficient and swirl ratio of partial intake port models with V shape groove bionic non-smooth surface

5 结 论

（1）仿生非光滑表面对柴油机进气道流量系数的影响较小；无论促进作用或抑制作用，数值变化都较小。

（2）仿生非光滑表面对进气道涡流比的影响较大，且气门升程越小影响越大。

（3）结合进气道流量系数和涡流比的trade off关系，考虑到进气道实际匹配过程中的要求，可以认为仿生非光滑表面对进气道的流通特性有一定的促进作用。

（4）在所选尺寸的非光滑单元进气道模型中，凹坑4 mm-1.0 mm，凸包4 mm-1.0 mm，U形沟槽6 mm-1.5 mm，V形沟槽2 mm-0.5 mm模型可以显著地提高气道模型的涡流比，但有一些进气道模型使涡流比降低，因此单元体尺寸的大小对进气道流通特性起到决定作用。

（5）在所选的4种仿生非光滑单元体中，促进进气道涡流比的形成而且作用较为显著的是凹坑形单元体，其次是凸包形，再次是U形沟槽，而V形沟槽对涡流比的促进作用最小。

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