多缸柴油机进气歧管的仿真计算与试验研究

2014-09-28钱多德杨跃滨钱叶剑曹文霞钱德猛

合肥工业大学学报（自然科学版） 2014年8期

钱多德，杨跃滨，钱叶剑，曹文霞，钱德猛

（1.安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601；2.天津内燃机研究所，天津 300072；3.合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009；4.安徽水利水电职业技术学院机械工程系，安徽合肥 231603）

0 引言

现代柴油机的优化设计对提升现有机型的工作能力扮演着重要角色，其中进气歧管的优化设计对整机性能提升效果显著。多缸柴油机进气歧管的进气效率和进气均匀性对整机动力性、经济性和排放性能具有重要影响。在燃油喷射参数保持不变的条件下，各缸进气不均匀性造成燃烧不均匀，进气量多的气缸导致最高燃烧压力大，进气量少的气缸导致排温高，并且各缸排放也不相同［1］。在某款发动机性能提升过程中，需要对进气歧管结构进行优化改进。

本文利用三维流体分析软件FIRE对原机进气歧管进行计算，得到歧管内详细的流场信息，分析得到需要改进的不合理结构，并且利用气道稳流试验进行了模型验证。根据计算结果优化设计进气歧管，对优化设计后的进气歧管进行计算，并对比优化前后的流场信息，比较分析2种进气歧管的进气差异。

1 理论基础及研究对象

计算流体动力学（computational fluid dynamics，简称CFD）是通过三维模拟计算和图像后处理，对流体的流动和热传导等物理现象做出全面系统的分析，它可以获得详细的流场信息，进而减少设计与试验的盲目性，缩短开发周期［2］。

气体经过进气歧管和进气道时，存在着涡旋、二次流等复杂流动现象，是三维可压缩黏性流动［3］。对进气歧管进行三维流动模拟最重要的是对湍流的模拟，从而找到进气歧管内存在涡旋、二次流的不合理结构，为优化进气歧管提供依据。结合进气歧管内涡流比不大的特点，选用k－ε双方程模型来模拟湍流流动，该模型属于涡黏性－耗散模型，对湍流的模拟基于Boussinesp假设，隐含湍流是各相同性的。它具有计算稳定性高，对计算资源要求低的特点。在近壁面区，由于高雷诺数k－ε双方程模型不再适用，需要使用壁面函数来对分子黏性效应和壁面传热进行描述。本文采用标准壁面函数［4］。

本文以某增压中冷四缸柴油机进气系统的进气歧管为研究对象，进行稳态计算与试验分析。在稳态计算中，为了分析不同缸进气时歧管内的流场分布，对4缸分别建模计算。每缸计算的进出口边界设置保持一致，将计算缸的出口设置成出口边界，其余各缸的出口设置为壁面边界。

2 CFD计算描述与结果分析

2.1 几何模型与网格划分

在PROE软件内，抽取进气弯管、进气歧管和气缸盖等零件三维图的内腔表面，获得进气歧管CFD计算的几何表面模型，包括进气弯管、进气歧管和进气道流体域。该计算不考虑进气道的进气能力，因此在模型中不考虑进气门，即在进气道完全畅通的情况下考虑进气歧管的进气能力和进气均匀性。为避免回流，保证计算稳定收敛，在进出口分别添加稳压箱和缸筒［5］。模型如图1所示。

图1 原机进气歧管模型

使用FIRE前处理中的自动划分网格工具FAME生成以六面体为主的计算网格。考虑到壁面附近的边界层影响，在壁面上生成一层边界层网格，网格总数为403072。

2.2 边界条件及求解参数的设置

本文计算区域的边界条件包括进出口的压力边界和固定壁面边界。根据稳流试验的状态与环境参数，设置进口边界总压为100kPa，温度为293K，湍动能为1m2／s2，湍流长度为0.001m。设置出口边界静压为96kPa。该计算只考虑空气的流动特性，不探讨其传热特性，认为整个流动过程为等温过程，空气内能在工作中没有变化［6］，因此将固定壁面边界设定为绝热、无滑移。

动量方程采用具有2阶精度的MINMOD Relaxed差分格式，Blending factor取值为1；连续性方程和湍流方程采用具有2阶精度的Central Differencing格式，Blending factor取值［7］分别为1和0.5。

收敛标准设置压力残差、动量残差和湍动能残差均小于0.001。计算结束收敛。

2.3 模型准确性验证

在气道稳流试验台上对带进气歧管缸盖进行气体流动稳流试验。台架工作图如图2所示。

图2 缸盖稳流试验台架工作图

模拟结果与试验结果对比见表1和表2所列。

表1 各缸流量系数的模拟值与试验值

表2 各缸质量流量的模拟值与试验值 kg／s

由表1、表2可以看出，模拟值与试验值具有相同的趋势。即1缸和4缸的流量系数与质量流量比2缸和3缸偏低。这是由于1缸和4缸距离进气歧管入口段远，完全经过进气歧管中的螺栓避让空间，从而沿程损失和阻力损失均较大造成的。

同时，模拟值与试验值存在一定偏差。造成这一现象的原因包括计算模型与实际试验的区别、湍流模型的精度［8］、进气歧管和缸盖制造误差以及试验的测量精度等。但总体上，模拟结果与试验结果趋势具有较高的一致性，从而验证了上述模拟分析的准确性。

由表2中模拟值，利用E＝（Qmax－Qmin）／Qmean计算最大进气不均匀度［9］。其中，Qmax为各缸中的最大质量流量；Qmin为各缸中的最小质量流量；Qmean为4缸平均质量流量。由此式计算得到原机进气歧管最大进气不均匀度为5.35%。

2.4 CFD结果分析

本文计算重点关注进气歧管内的流场变化，因此只对进气歧管进行CFD流场分析。

进气歧管内压力场分布如图3所示。由图3可知，1缸和4缸进气时，存在明显的压力损失区域。该区域主要是入口段与容积腔连接的过渡段和歧管螺栓安装避让空间，阻碍了气体进入气缸的运动，导致进入1缸和4缸的空气量减少，影响到燃烧过程。相反2缸和3缸进气道入口距离歧管入口段近，不存在明显的阻碍作用，气流运动比较顺畅。这就解释了进气歧管1缸和4缸相比于2缸和3缸，流量系数和质量流量偏低的现象。