基于FIRE的发动机工作过程数值分析研究

山西中北大学机械与动力工程学院　　王文礼　张保成

基于FIRE的发动机工作过程数值分析研究

山西中北大学机械与动力工程学院王文礼张保成

为了分析发动机的进气过程，本文采用基于控制容积法的组合式动态网格划分技术，分析了其进气道进气过程中缸内不同平面处的速度影响规律，为其进气系统的设计和优化改进提供了参考。

发动机；螺旋进气道；进气过程；数值模拟

1　引言

内燃机的进气过程作为一个工作循环的开始，有着至关重要的作用。在进气过程中，气缸内气体的流动影响着火焰的传播、燃烧的稳定性和充分性，从而影响发动机的动力性能和排放性能［1］。

2　进气道有限元模型的建立

本文根据某柴油机的实际尺寸建立了进气道、气门以及气缸的三维模型，并组合成与实际工作状态相符合的闭合几何体。进气道喉口区域为气流流动较为剧烈的地方，是重点关注的区域，所以必须对该区域进行网格细化［2］，经过上述网格划分，最后模拟仿真的网格如图1所示。边界条件如表1所示。

图1　模型网格图

表1　模拟特性

3　气道模拟仿真结果与分析

为了能够分析气流通过气门进入气缸时的情况，我们定义通过气缸中心线并与Y轴垂直的平面为侧平面，定义通过气缸中心线并与X轴垂直的平面为正平面。

图2　该升程下速度矢量图

由图2可知，从气门杆头部和气门下方都可以看出，在气道中存在着滞止回流区。因此在这些位置，缸内气体出现混合不均匀的现象，对发动机的排放和动力性能有着显著的影响。同时可以看出，气流流速最大处在气门喉口位置。

图3为该升程下距正平面0.015m处速度等值线图。

图3　距正平面0.015m处速度等值线图

由图3可知：（l）在气门喉口处相对气道的其他位置处，速度等值线分布要密，且分布不均匀，可以看出，与其他位置相比，喉口位置的速度大得多；（2）在气门下方有两个位置的速度等值线分布较为密集，并且分别以其为中心形成旋涡状，因此在该两处位置会产生很强的滚流。

4　结论

通过以上仿真分析可以看出，由于气门和缸壁的导气作用，当气体进入气缸以后，气体沿缸壁高速运动，且在气门附近形成多个形状不规则的小涡流，随着气流远离气门，缸内气体流速逐渐趋于一致，小涡流消失而最终形成规则的大涡流运动。

［1］杨帆.发动机进气过程缸内流场瞬态数值分析［D］.中北大学，2012.

［2］张志荣，冉景煜，张力，蒲舸.内燃机缸内气体CFD瞬态分析中动态网格划分技术［J］.重庆大学学报（自然科学版）.2005（11）.