基于Fluent的柴油机缸内气体流动仿真分析

程清波，寇睿，耿莉敏，王城

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

基于Fluent的柴油机缸内气体流动仿真分析

程清波，寇睿，耿莉敏，王城

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

∶气体的缸内流动对内燃机燃烧和排放起着关键作用。文章用Proe对某柴油机燃烧系统进行建模，导入ICEM划分网格，用Fluent进行求解。通过分析速度场和压力场等的变化，获得柴油机缸内流动情况，为缸内结构优化提供参考。

∶柴油机；气缸；流动；数值模拟

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.011

CLC NO.: U464.172Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-29-02

前言

随着计算机模拟技术日益成熟，研究发动机不再单一的通过试验进行，数值模拟越来越受到研究者的推崇与喜爱[1]。众所周知，气体的流动状态对发动机燃烧有着直接的影响，在里卡多设计的湍流式发动机中，其燃烧室的形状可以改变缸内气流的流态，用来确定最佳燃烧的流动状态；阿尔科克的研究表明，进气行程产生的旋流可以有效的改善发动机的燃烧状况。为此，工程人员投入大量的时间与精力对发动机缸内气流进行探究，以获得期望中的进气涡流，改善发动机的燃烧。目前，已取得阶段性的效果。本文在此基础上，进行柴油机气体缸内流动的研究。

1、缸内流动系统的模型及定解条件

1.1几何模型的建立

在对气缸及进气道进行数值计算之前，需要建立反映实际几何特征的三维模型，燃烧室模型用Proe根据实际形状做适当简化得来。柴油机的参数如下，每缸气门数：2；燃烧室形式：ω型；缸径×行程（mm×mm）:112×132；压缩比：17.5:1。

图1　90°CA和180°CA活塞位置下的缸内模型

为了对进气过程进行较为完整的模拟，以排气上止点作为0°曲轴转角(CA)选取两个不同活塞位置建立几何模型，将模型导入ICEM后如图1。

1.2计算域的网格划分

本文只是探究进气过程整个流场的分布规律，对是否为瞬态模拟不做要求，因此，选用非结构网格静态模拟的方法对活塞工作的两个不同位置进行网格划分，可以达到预期目的。网格划分为图2所示：

图2　90°CA和180°CA活塞位置下的网格划分

1.3初始条件与边界条件

初始时刻的具体数值及分布，包括速度，压力，温度，密度等，一般根据试验或经验给出；除初始条件外，在对计算域进行求解时边界条件也是必不可少的。在对发动机的进气过程进行流场求解时，某一位置进气门开度和活塞位置确定，将气门视为流体的边界，并将进气道，气缸壁，活塞顶部以及气门视作一体化，均作为流场的边界[2]。在确定初始条件和边界条件之后则可进行求解运算，具体的边界条件设置情况如下：

1.入口边界条件：采用压力入口，发动机采用增压装置压力设置为250000 Pa；

2.出口边界条件：由于仅对进气过程进行仿真，流体计算域不设置出口；

3.壁面边界条件：对进气道壁面，缸盖的下壁面以及气缸内壁面均设置为无滑移的固壁条件，即在固体表面上流体的紊流参数设置为零。

2、进气过程缸内流场的数值模拟分析

进气过程是从进气门开启到进气门关闭气流进入气缸内的整个过程。此过程中系统内的气流组织相当复杂，特别是进气门附近，并且在不同曲轴转角下流场的分布情况也呈现不同运动趋势，气缸内速度场和压力场的分布也在时刻改变[3]。气缸内的流动状况随漩涡中心和流动形态不断改变，这直接决定着发动机后续的燃烧过程。

2.1进气过程中缸内压力的变化

对于不同曲轴转角位置的缸内压力，本文选取了90ºCA和180ºCA，如图3所示：

图3　90°CA和180°CA缸内气体压力云图

从上图可以看出在进气过程中由于气门的阻力作用使得气门顶部和进气道进口处压力比气缸内压力要大，并且随着进气过程的进行活塞顶部压力高于气缸中部压力。

2.2进气过程中缸内气体速度的变化

90°CA和180°CA气体速度云图，如图4所示：

图4　90°CA和180°CA缸内气体速度云图

从图中可看出，进气道中流体在上边缘的速度大于下边缘的速度，明显观察到气门对空气流动的阻碍作用，在保证一定质量流量的情况下，流速受气门开启程度的制约，在流动截面积减小的情况下，流速会明显增大，进气门附近受卷流作用的影响在其下部产生涡流，整个模拟结果基本符合发动机实际工作的情况。

2.3进气过程中湍流动能的变化

图5为90°CA和180°CA湍流动能云图，如下：

图5　90°CA和180°CA缸内气体湍流动能云图

从图 5可以较为明显的看出，湍动能大的部位主要集中在气门附近区域，这是由于进气门的解流作用明显，使得该部位发生了陡峭的速度梯度，因而产生很高的湍动能。随着进气过程的进行，进气能量逐渐增加，截面上气道和缸内的湍动能数值较大，并且沿着气流的轨迹逐步增加，湍动能分布逐渐变得比较均匀，但是在接近壁面时迅速降低[4]。

3、结论

通过较深入的分析柴油机进气过程缸内气流状况，可以得到以下几点：

（1）进气行程中，由于进气道与气门的位置关系使得进气气流组织分布不均匀，并且受气门开度限制，进气门在实际进气过程中阻碍空气进入气缸；

（2）由于进气门周围空气对气门下方的空气产生卷吸作用，故在进气过程中产生涡流；

（3）气流在气门附近速度变化最明显，旋流最大，缸内的旋流组织由上而下呈慢慢减缓趋势，接近活塞处逐渐消失。

[1] 李绍安,苏万华.内燃机燃烧模型的现状与展望[J].车用发动机,1998（2）:1-6.

[2] 张亮峰.SL1126柴油机螺旋进气道建模及CFD分析[D].湖南大学,2005.

[3] 王春辉.4气门柴油机进气和压缩过程缸内流场的影响因素研究[D].昆明理工大学,2013.

[4] 郑振鑫.内燃机缸内气流运动的评价与分析[D].天津大学,2009

Simulation and analysis of gas flow in cylinder of diesel engine based on Fluent

Cheng Qingbo, Kou Rui, Geng Limin, Wang Cheng
(Chang'an University Automotive Institute, Shaanxi Xi'an 710064)

The flow of gas in the cylinder plays an important role in improving the combustion and emission of internal engine.In this paper,Proe is used to model the combustion system of a diesel,using ICEM to generate mesh,and Fluent is used to solve the model.Through the analysis of the change of velocity field and pressure field, etc,the flow of diesel cylinder is obtained,which provides reference for the optimum design of cylinder structure.

Diesel; Cylinder; Flow; Numerical Simulation

∶U464.172

∶A

∶1671-7988 (2016)09-29-02

程清波（1987—），男，研究生，就读于长安大学，动力工程专业。