柴油机进气流道流场CFD数值模拟分析

2016-08-26夏基胜魏民祥贝太学TANGPeiXIAJishengLIURuiWEIMinxiangBEITaixue盐城工学院汽车学院盐城4400南京航空航天大学能源与动力学院南京006

制造业自动化 2016年6期

汤　沛，夏基胜，刘　锐，魏民祥，贝太学TANG Pei，　XIA Ji-sheng，　LIU Rui，　WEI Min-xiang，　BEI Tai-xue（.盐城工学院汽车学院，盐城 4400；.南京航空航天大学能源与动力学院，南京 006）

柴油机进气流道流场CFD数值模拟分析

汤沛1，2，夏基胜1，刘锐2，魏民祥2，贝太学2
TANG Pei1，2，XIA Ji-sheng1，LIU Rui2，WEI Min-xiang2，BEI Tai-xue2
（1.盐城工学院汽车学院，盐城 224400；2.南京航空航天大学能源与动力学院，南京 210016）

结合三维构形软件UG和CFD数值模拟软件MSC/CFDesign，建立某型柴油机原型进气流道三维模型，完成网格划分，并进行了数值模拟计算。在此基础上调整了进气流道相对位置，对调整后的新进气流道的质量流量、压力、速度及涡量重新进行了对比计算。计算结果表明，新的进气流道的出口质量流量比原型进气流道增加了20%左右，出口涡量矩增加了60%左右，该计算结果对于提高柴油机的整体性能有较大的借鉴意义。

柴油机；螺旋进气道；CFD；数值模拟

0　引言

柴油机的动力指标和经济指标与柴油机燃烧室的燃烧效率直接相关。燃烧室既是产生可燃混合气的场所，又是燃料所具有的化学能转变为机械能的场所。燃烧室的核心任务是如何使燃烧室内的空气及时与相配合的喷雾燃料混合，以利于混合气形成和燃烧过程的进行，产生高的燃烧效率。柴油机的混合气形成与燃烧是紧密相联的，混合气形成对燃烧过程有决定性影响［1，2］。

柴油机燃烧室的设计就是在限定的柴油机结构参数的条件下，恰如其分地处置混合气形成方式，处置不当会影响柴油机的动力性、经济性以及工作噪声和排放质量。带有螺旋气道的涡流燃烧室是一种具有高燃烧效率的柴油机燃烧室，由于有规则的涡流作用，空气与燃料得到充分混合，燃油和空气能充分利用。螺旋气道流动阻力小，涡流强度大。进气道的质量指标除了流动阻力外，还有涡流强度，要求在尽可能小的阻力下有足够的涡流强度。但阻力与涡流强度之间有矛盾，产生涡流总要增加阻力，一般阻力随涡流强度增加而增加［3，4］。对于组织进气涡流的柴油机来说，进气系统一直是个影响性的重要项目。

目前，大都是在试验台上测量气道的进气涡流强度和气道阻力，以此来评价气道的优劣和确定进气道的结构尺寸。随着计算机仿真技术的快速发展，越来越多的柴油机生产厂家和研究所采用现代计算流体动力学（CFD）方法来直接分析柴油机的进气流道流场，计算进气流道的进气涡流强度和气道阻力。从而优化柴油机进气流道，以最快的速度设计出高性能的柴油机［5，6］。因此，本文将采用MSC公司的有限元分析和仿真预测应用软件MSC/CFDesign进行工程化流体计算动力学分析，以此为柴油机气缸进气流道流场分析提供参考依据。

1　气道三维几何模型

图1　气缸进气流道1几何模型

在进行柴油机气缸进气流道流场分析之前，首先用CAD/CAM软件UG建立了两个柴油机气缸进气流道几何模型，图1是第一个气缸进气流道几何模型，图2是第二个气缸进气流道几何模型。这两个气缸进气流道的差别在于螺旋气道的位置不同，第二个气缸进气流道的进口气道方位与气缸筒体内圆接近于相切，而第一个气缸进气流道的进口气道方位相对更接近于气缸筒体中心。在此设计基础上，在设置两个气缸进气流道进出口相对压力相等的条件下，用计算动力学分析软件MSC/ CFDesign对进气流道几何模型进行流道流场对比分析计算，计算出气缸进气流道的压力、速度及涡量等参数。

把螺旋气道最佳安放位置的进气涡流调整到螺旋气道的设计位置，这对于设计一个良好的螺旋气道来说是很重要的。用工程化流体计算动力学分析软件MSC/ CFDesign对气缸进气流道进行计算机仿真计算能很好地解决这一重要课题，设计出高效率的发动机气道。

图2　气缸进气流道2几何模型

2　计算模型建立

有限元前后处理软件MSC/PATRAN与CAD/CAM软件UG的几何模型是无缝连接，保持特征参数的相关一致性。采用MSC/PATRAN软件导入用UG造型的气缸进气流道几何模型，利用PATRAN强大的自动网格划分功能对两个气缸进气流道几何模型分别进行了自动有限元网格的划分。两个气缸进气流道几何模型都采用四面体实体单元，相同单元长度，单元长度为1mm，349505个结点，251122个单元。计算单位采用mm-g-s制。图3是第一个气缸进气流道有限元模型，图4是第二个气缸进气流道有限元模型。气缸进气流道有限元模型的边界条件是气缸进气流道入口相对压力设置为3000Pa，气缸进气流道出口相对压力设置为0Pa。

图3　气缸进气流道1有限元模型

图4　气缸进气流道2有限元模型

3　计算工具

柴油机气缸进气流道流场流动分析采用MSC/ CFDesign工程化流体计算动力学分析软件，其基于现代有限元技术，用于分析复杂的层流、湍流和外流流体流动及相关的热传导问题，稳态和瞬态流体流动及相关的热传导问题，以及共轭热传导和辐射热传导问题的。计算流体的性质可以是变化的流体和固体特性，包括正交异性热传导率，分布阻力和多孔介质单元。

软件中涵盖湍流算法及特有的自动壁面模型、自动湍流启动模型、全系列N-S方程求解器、变量分步求解过程、单调流线迎风模式、额外的标量转输方程和迭代矩阵求解方法。迭代速度快，且能有效地使用内存，在求解方程时能使用户通过图形监控窗监控流动及热传导方程的收敛情况。

此外，软件中的流体模式有包括壁面函数的湍流模型、常量温度粘性模型、k-epsilon湍流模型、RNG湍流模型、Eddy Viscosity湍流模型、不可压缩流体、亚音速，跨音速或超音速可压缩流动、非牛顿流体及局限两相体动。具有与结构分析相同的用户图形界面，流体分析结果能自动传递到结构分析中。该计算工具是解决计算流体动力学问题的最佳选择之一。

4　计算结果分析

根据软件MSC/CFDesign，本文对文章所描述的两个进气流道流程进行了CFD数值模拟分析。计算时，大气环境温度设置为摄氏16.5℃，流体介质为空气。从而计算出气缸进气流道的流量、压力、速度及涡量等参数。图5给出了两个气缸进气流道的压力分布云图。从图中可以看出，进气流道2的压力分布比进气流道1更加均匀，在接近流道出口出的压力保持在了较高的水平，这对于进气流量的增加会有较大的改善。图6为气缸进气流道速度分布矢量图，同样地从图中可以看出，在同等条件下，进气流道2在缸内产生的速度分布比进气流道1更均匀，基本涵盖了整个气缸，而进气流道1中在某些区域则出现了速度为零的状态，这对于气流与燃料混合是不利的。

图5　气缸进气流道压力分布云图对比

图6　气缸进气流道速度分布矢量图对比

图7给出了两个气缸进气流道的出口速度矢量图对比结果。与图6中描述的结果一致是，进气流道2在出口处的速度分布明显比进气流道1均匀，后者在出口处的较大区域中出现了速度接近于0的结果。此外，图8给出了两个气缸进气流道涡量分布云图。显然地，进气流道2内的整体涡量不仅比进气流道1的大，而且分布上更加均匀。两种进气流道在缸内反应的涡量差别不大，因此，进气流道的相对位置队柴油机进气影响确实很大。为此，表1给出了对两种进气流道进行计算后，得出的一些重要参数。在同等的边界条件下，进气流道2的出口质量流量、平均涡量、平均角速度及平均涡量矩相比进气流道1有较大提高。