柴油机EGR系统文丘里管内流动数值分析

2015-07-07任俊楠苏小平

制造业自动化 2015年1期

任俊楠，苏小平，伍纲

(南京工业大学机械与动力工程学院，南京 211816)

0 引言

现今社会，环境污染问题十分突出，车辆排气污染对环境的危害越来越受到人们的重视，并积极采取措施以降低其危害程度。柴油机排放物主要是氮氧化物(NOx)和碳氢化合物(HC)，在高温高压的情况下，碳氧化物会少而氮氧化物会多，所以对于排放的限定来讲，国际上通常主要评判氮氧化物的排放量。

废气再循环技术(EGR)是目前降低发动机NOx排放的主要措施之一，使用这种方法虽然会有较小的燃油额外损耗，但能获得较大的净化效益，因此，柴油发动机的EGR技术将是满足未来排放要求的关键技术。但考虑到柴油机排气管内平均压力要低于进气管内平均压力，这样废气就较难流入进气管内，EGR系统通路就不能实现这个问题可以采用在增压器出口后端串接文丘里管的方式来克服[1]。因此采用文丘里管EGR系统能较方便地在大工况下实现废气再循环，并且泵气损失少，成本低。

本文以发动机EGR文丘里管为研究对象，基于Fluent软件、对控制方程用有限容积法进行了离散，运用SIMPLEC算法对压力—速度进行耦合计算，空间离散采用中心差分格式，控制方程中的时间项应用二阶欧拉向后差分，计算的时间步长取10-4s。流场达到统计的稳定状态时进行加权平均计算，分析了出口压强变化，边界层的分离和湍动能变化情况。

1 引射式文丘里管的工作原理

从流体力学及工程热力学的相关理论可知[2]，气体在亚音速状态下的气流在扩张段中会减速流动，马赫数降低，温度、压力和密度均会升高，这个称为压缩过程。同样处于亚音速的范围内，在收缩段中气体会加速流动，马赫数上升，然而温度、压力和密度均会降低，称为膨胀过程。文丘里管正是利用这个原理进行工作的，当气体在收缩部分流动时，进行膨胀的过程，在喉口最窄处会形成较低的压力，可以将经冷却的废气引射进入混合段喉口处，实现废气的再循环过程[3]。

文丘里管与主进气管的连通有两种方式：全流和分流。其中分流方式是指，当遇到柴油机进气量比较大的工况，通过蝶阀调整文丘里管空气流量。一般情况下，为了兼顾高低速工况，采用分流方式接入，如图1所示。

图1 分流式EGR系统

引射式文丘里管从结构上依次分为收缩段①、混合段（喉口段）②、扩压段③和引射管④四大部分，如图2所示。

图2 文丘里管结构图

2 文丘里管的基本设计

文丘里管的设计必须满足，混合段喉口处有效的静态压力对废气的吸气压力，气体损失在流动过程中最小，结构紧凑用以提高EGR率的响应性。

管的扩压段长度由经验选定，选择太短，气流扩充太快，会引起扰动增加内部摩擦损失；如选的太长，气流与管壁的摩擦损失也会增加。文丘里管全程为320mm。由经验选择，收缩段锥角α，一般选择22±10o，而扩压段锥角β会选择7o~15o。

在EGR系统中冷却后的再循环废气从引射管引入时，要注意两类问题：第一，导入的废气流量能否满足需求，这主要由混合段与引射段之间压力差和引射管的流动面积决定。第二，引射流对空气流动的干扰作用，主要是引射管在混合段上的布置[4]。这里EGR引射管共14个，分两列沿混合段圆周均匀分布，入射角与空气压入方向的夹角为60o，根据气体动力函数表[5]，通过插值计算，得到喉口处的截面积。表1为通过计算出来的文丘里管结构参数。

根据文丘里管实际尺寸，建立了具有引射口文丘里管网格。通过计算，网格总数为228909，并对引射管网格进行局部细化处理，如图3所示。计算过程中假设气体流动状态是不可压缩粘性湍流流动，且引射管导入废气与收缩段空气无化学反应及热交换交换。采用标准K-ε湍流模型及SIMPLEC算法，以质量流量为空气和废气入口的边界条件，进气流量为0.152kg/s，空气入口温度为311K，废气入口温度为480K；扩压段出口设置为压力边界条件，经过与文丘里管串联的增压机入口空气的压力为1.96×105Pa 。

表1 文丘里管主要结构参数

图3 引射段局部网格放大图

3 非定常条件设定及内部流动析

设定经过引射管的废气入口流动随着发动机的循环变化，由此使得整个文丘里喷管内的流动为一个非定常流动。仿真中压力损失和流动分离作为时间的函数变化，并且对于时间的非稳态流动与使用平均入口、出口条件下的稳态解可以是不同的。这里对文丘里管中不同EGR率的内部流动过程进行数值计算。

计算过程中，EGR率定义为进入文丘里管的EGR废气质量与进入文丘里管的新鲜空气和EGR废气的总质量之比，EGR率的计算式为：

3.1 文丘里管内压力场

压力恢复系数FL的推导公式如下：

FL值是管内部几何形状的函数，它表示管内流体流经缩流处后动能转变为静压能的回复能力。一般取的值越小，P1-P2比上P1-Pvc的值就越小，即压力恢复越大。在图4和图5中可以看出，在管内节流处压力达到最低，流体速度达到最高[6]。

在文丘里管内，喉口面积决定了其引射能力，喉口截面越小，其引射能力就越强，但若喉口面积太小，又会发生堵塞的情况，模拟过程中并未考虑拥塞导致的压力损失。经过公式（2）计算，对图6中不同EGR率的文丘里管内压力值进行计算，压力恢复系数如图7变化。当EGR率大30%，压力恢复系数突然非线性增大。由此可见FL大，流阻大，摩擦损失大，压力恢复能力低。

图4 中间截面压力

图5 中间截面速度

图6 不同EGR率下中轴压力变化

图7 不同EGR率下压力恢复系数

3.2 管内速度场和出口处的边界分离

图8为中间截面速度云图，如扩展段内流场出口出现边界层分离的情形，这是因为管道中的流通截面突然增大带来的。边界层加速增宽，阻力增大和压强持续增大（流速减小）使边界层内动量减小，在两者共同作用一段足够长的距离后，最终导致边界层内流体停滞下来，从而发生分离的现象，从分离点开始，边界流线必脱离边界，其下游近壁处形成一个反向回流或涡旋。局部放大扩压段出口流速，如图8所示，可以发现随着EGR率的增大，涡旋开始向上游发展。

图8 扩压段速度等值线图

从图9中可以看出，对于不同EGR率的情况，在收缩段对于同一涡轮增压的空气，流速几乎一致。当进入混合段喉口后，高EGR率带来的废气引射入混合段，使得管内流速也较大。但通过扩压段后，计算出口面加权平均流速基本一致。

可以肯定边界层分离会带来不好的影响。首先，在边界层分离的地方，其位移宽度会急剧增加，在内流场范围内，则会增加流动的损失，同时也会出现速度突然丢失的现象。还有一个影响是涡旋的脱落，当涡旋开始脱离边界层的表面时，涡旋是以固定的频率离开的。当涡旋发生的周期性脱落对附近的结构产生一定的振动，当振动频率达到或接近共振状态将会造成严重的结构破坏。

图9 不同EGR率下中轴的速度变化

3.3 文丘里管内边界湍动能

标准K-ε模型是应用于管内中心充分发展的高Re数的湍流模型。实际上，对于近壁区Re数较低的湍流，不能用标准K-ε模型进行计算，因为这种情况下的湍流发展不充分，湍流的分子粘性对湍流的影响比脉动过程要大。在近壁区内采用壁面函数法，这种方法实际上是一组半经验公式，用于将壁面上相关的物理量与湍流核心区内待定的未知量结合求解[7]。

图10 不同EGR率管内中轴湍流参数变化

对比不同EGR率的数值模拟结果，如图10所示，湍动能K及湍动能耗散率ε的取值对出口附近流动还没有充分发展区域拟解算的结果影响较大，而对流动充分发展的区域影响较小。当处于高EGR率（即大于30%）时，发现从混合段开始,湍动能K与湍动能耗散率ε就开始急剧增加，边界层脱落带来的振动对进气的有效流动与混合不利。