柴油机螺旋进气道三维数值模拟及其结构优化

张庆才， 高超， 王仁人

(齐鲁工业大学机械与汽车工程学院， 山东 济南 250353)



柴油机螺旋进气道三维数值模拟及其结构优化

张庆才， 高超， 王仁人

(齐鲁工业大学机械与汽车工程学院， 山东 济南 250353)

以计算流体力学(CFD)技术理论为基础，利用三维数值模拟软件AVL-Fire分析新型6160船用柴油机螺旋进气道，得到缸内的流量系数、涡流比以及流场特性云图。通过三维建模软件CATIA将原气道不足之处改进优化，对改进后的螺旋进气道进行稳态和瞬态模拟分析与评价，结果表明：优化后的螺旋气道进气性能提高15%左右，涡流产生能力提高20%左右。

计算流体动力学； 螺旋进气道； 数值模拟； 结构优化

柴油机在进气时，进入气缸的混合气体的质量和混合程度，气体的速度分布及涡流、滚流状况都会不同程度地影响燃烧过程，从而直接影响功率、油耗、扭矩、噪声、稳定性和排放等，因此，进气道设计的质量关系到整机的性能水平。螺旋进气道形状复杂，曲面不规则，对进气影响最大，是进气道设计的难点。对进气道进行评价,决定着进气道的开发工作,进而决定着新机型开发和旧机型改进的成败。

对于传统的螺旋进气道开发设计，首先根据经验设计原型，然后将设计好的原型反复试验，这种方法非常耗时，需要大量的人力财力，结果也容易受到外界条件的影响且具有一定的盲目性。如今计算机技术发展得越来越快，CAD/CFD技术逐渐完善，已成为深入研究气道及缸内气体流动特性的有效方法,为优化进气道结构提供了很大方便。

本研究根据CFD技术理论基础，利用软件AVL-Fire模拟分析新型6160船用柴油机进气道，得出气门升程为12 mm时的流场特性，利用CATIA软件对模型不合理之处进行修改，然后进行稳态和瞬态模拟分析与评价，实现了进气道结构的改进优化。

1 进气道稳态模拟

进气道稳态模拟仿真的依据主要是螺旋进气道的流通能力和涡流形成能力，流量系数和涡流比采用AVL计算方法和标准，评价指标主要为无因次流量系数和涡流比[1-2]。

1.1 模型的建立及网格划分

计算对象是新型6160船用柴油机进气道，几何模型参数见表1。

将模型导入网格前处理软件Hypermesh，利用该软件对模型结构稍作修改，去除不需要的表面，在气道前方添加方形稳压箱(见图1)，目的是模拟进气环境，稳定进气气流，避免产生回流；在气道下方建立气缸，长度是缸径的2.5倍，为400 mm。

利用Hypermesh软件，对建立好的模型进行面网格划分，坐标原点取气缸的上表面中心，方向为沿着z轴正方向。划分结果见图2。

表面网格划分完之后，导入到三维模拟软件AVL-Fire中进行体网格划分，利用AVL-Fire自带网格划分工具的FAME Advanced Hybrid模块，自动生成非结构化网格，网格规模尺寸由该模块根据结构空间的形状自动调整为介于最小值(2 mm)和最大值(8 mm)之间。气门、气门座和气道等部位是流动敏感区域，必须进行局部细化加密(见表2)，最终体网格模型(见图3)总网格数为137万。网格划分完成后，在气道网格模型中建立叶轮网格(见图4)。

图1 方形稳压箱

图2 面网格

表2 局部细化网格尺寸表

区域网格尺寸/mm深度/mm气门底0.53气门顶0.50气门座0.50火力板120进气道42

图3 体网格

图4 叶轮网格

在AVL的评价方法中，涡流比根据叶轮的转速和发动机的转速之比来确定。采用不同气门升程，缸内的涡流通过布置在气缸1.75D位置的叶轮测量，具体尺寸见图5。叶轮转速r计算公式：

图5 AVL叶轮尺寸简图

1.2 求解参数的设置

求解参数的合理设定是流体稳态模拟计算的重要环节，直接影响模拟的速度和稳定性。计算需要的求解参数见表3。

表3 求解参数表

收敛标准采用压力、动量和湍动能趋于稳定来判断，取值均为0.000 1，迭代次数取经验值3 000次，计算时间为10 h，结果收敛。

1.3 模拟结果分析

计算获得了不同气门升程的螺旋进气道流场特性。不同升程的压力和速度分布规律基本相同，这里取气门升程为12 mm的压力和速度云图进行分析。分析平面采用的是过气门挺杆和X轴垂直的面。由压力云图(见图6)可以看出：气门挺杆处压力值很大，压力集中明显，原因是由于结构1，2处(见图6)坡度设计不合理，对气流的疏导作用差，使得进气气流对气门挺杆(结构4)的冲击剧烈。在速度云图(见图7)上可以看到结构1，2处的速度很大，超出周围速度很多，表明了该处结构不合理。图8中结构3，5，6处的压力小，速度大，是由于这几个结构表面不光滑，出现垂直棱角的缘故，需要进行修改，图中虚线位置给出了改进方法。

图6 压力云图

图7 速度云图

图8 压力等值线图

2 新气道稳态模拟

2.1 气道修改

利用三维建模软件CATIA对原螺旋进气道进行修改，参照类似进气道的修改步骤[3]，通过CATIA软件中的创成式外形设计模块，使用自由曲面命令按照图8的修改方案改进气道结构。改进前后的气道比较见图9和图10。

图10 改进后的气道

2.2 新气道稳态仿真

利用AVL软件对改进后的螺旋进气道重新进行模拟与分析，分析依据参见文献[4]，气门升程不变，与原气道保持一致。改进后的气道结构1，2处的弧度为120°～135°，比原来提高20%左右；结构3处的弧度为150°～170°，比原来提高10%左右；结构5，6处，即气门挺杆底部采用圆角结构。所有改进结构内表面都采用圆滑过渡。喉口处压力等值线稀疏(见图11)，气门挺杆处压力集中减小(见图12)，气流分布比原气道更加均匀，同时，由速度云图(见图13)看出，改进后的速度值比原气道提高，喉口处气流速度减小而且更加稳定，表明气道弯管处对进气气流的疏导和引流作用发挥得比较好，基本达到了改进的目的。

图11 压力等值线图(改进后)

图12 压力云图(改进后)

图13 速度云图(改进后)

2.3 优化结果分析

由AVL-Fire稳态数值模拟获取了13个不同气门升程的流量系数和涡流比(见图14、图15)，可以看出，新气道的流量系数和涡流比较原气道都有所提高，提高程度可达10%～20%。

由图14、图15可见，随着气门升程的增加，流量系数越来越大，涡流比越来越小，符合这两个无因次参数的变化规律。改进后的螺旋进气道流量系数和涡流比曲线在原气道的上方，表明气道的改进措施起到了优化的作用。

图14 流量系数对比

图15 涡流比对比

3 燃烧室瞬态模拟

3.1 燃烧室瞬态模拟方法

稳态气道模拟没有考虑活塞在缸内的运动、气门运动及其正时的影响，且只能对进气冲程进行分析。当活塞上升到上止点附近时，缸内气流的运动状态对燃烧有很重要的影响[5-6]。而缸内的气流状态又主要受进气道结构的影响，通过对采用原气道和新气道的燃烧室进行瞬态仿真模拟，分析和比较两者的气体运动，可进一步验证对原气道进行的结构改进和优化是否合理。

对于柴油机缸内气流运动运动的非稳态评价参数主要有瞬态涡流比和湍动能。

瞬态计算所需要的几何模型参数基本与稳态计算模型一致，不同之处见表4。

表4 模型参数

图16 网格模型

模拟流程：利用前处理软件Hypermesh对模型进行面网格划分并导入CONVERGETM软件中；在CONVERGETM的UI中检查面网格质量，并定义边界条件；定义计算模型的网格参数、网格控制参数、发动机基本参数、子模型参数、计算过程控制参数、结果控制参数等。计算网格模型见图16。

CONVERGETM软件模拟模型的面网格边界条件设置见表5。

表5 边界设置

3.2 瞬态模拟结果

利用CONVERGETM软件设置好模型参数以后，软件将自动划分体网格。CONVERGETM软件采用AMR自适应加密，网格为理想正交的六面体网格。网格划分完之后，在计算机的DOS命令符中,对原气道和新气道模型进行单线程计算。CONVERGETM对发动机分析常用的量自动创建输出列表文件*.out，然后使用Excel表格打开，即得到瞬态模拟下的涡流比和湍动能等一系列数据。

使用画图软件Origin Pro8，将得到的涡流比和湍动能(TKE)绘制成曲线图，图17示出瞬态涡流比曲线，图18示出瞬态湍动能曲线。

由图17可以看出：新气道的涡流比要比原气道的稳定，且在气门升程最大值处新气道涡流比比原气道大；上止点以后，新气道的涡流形成能力要强于原气道，稳定而强烈的涡流有助于燃烧室内混合气的充分燃烧。由图18可以看出，两者湍动能趋势大致相同，但是新气道的湍动能要明显大于原气道，这有利于缸内气体充分的混合燃烧。可以看出，新螺旋进气道各方面的性能均优于原气道，说明结构优化效果明显。

图17 瞬态涡流比曲线

图18 瞬态湍动能曲线

4 结论

a) 新气道的压力和速度分布更加均匀，弯管喉口处的压力集中减小很多，对进气气流的引导作用更加充分，减小气流对气门挺杆的冲击，有利于混合气的充分燃烧，提高发动机的性能；

b) 与原进气道相比，改进后的气道进气性能提高15%左右，涡流产生能力提高20%左右，充气效率明显提高；

c) 稳态和瞬态数值模拟可以在比较短的时间内获取气道和缸内的流动特性，节省了人力、财力，为柴油机进气系统结构的优化提供了理论指导。

[1] Stone C R. The Measurement and Analysis of Swirl in Steady Flow[C].SAE Paper 921624,1992.

[2] 周龙保.内燃机学[M].2版.北京：机械工业出版社,2006.

[3] 范永奇,张泽豹,姚建明,等.基于CATIA的柴油机螺旋气道设计及数值模拟[J].内燃机,2011(6):27-30.

[4] Rathnaraj J D, Bose B J R, Kumar M N. Simulation and Experimental Investigation of Variable Swirl Intake Port in DI Diesel Engine Using CFD[C]//ASME 2006 2nd Joint U.S.-European Fluids Engineering Summer Meeting Collocated With the 14th International Conference on Nuclear Engineering American Society of Mechanical Engineers.Miami:ASME,2006:203-210.

[5] Payri F, Benajes J, Margot X, et al. CFD modeling of the in-cylinder flow in direct-injection Diesel engines[J]. Computers & Fluids,2004,33(8):995-1021.

[6] Benny P, Ganesan V. Flow field development in a direct injection diesel engine with different manifolds[J]. International Journal of Engineering Science & Technology,2010(1):80-91.

[编辑： 潘丽丽]

3D Simulation and Structure Optimization for Helical Intake Port of Diesel Engine

ZHANG Qingcai, GAO Chao, WANG Renren

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Qilu University of Technology, Ji’nan 250353, China)

Based on the computational fluid dynamic technological theory, the helical intake port of new-typed 6160 marine diesel engine was analyzed with AVL Fire software and the flow coefficient, the swirl ratio and the cloud picture of flow field characteristics were acquired. The defects of original intake port were modified and optimized with the software of CATIA and then the steady and transient evaluations were conducted. The results show that the charge performance of optimized helical intake port increases by about 15% and the generating ability of swirl flow increased by about 20%.

computational fluid dynamic(CFD); helical intake port; numerical stimulation; structure optimization

2015-11-02；

2016-03-16

济南市高校自主创新计划项目(201004016)

张庆才(1988—)，男，硕士，主要研究方向为内燃机进排气系统的优化设计；18765831968@163.com。

王仁人(1962—)，男，教授，博士，主要研究方向为内燃机节能与排放；wrr@qlu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.004

TK423.44

B

1001-2222(2016)03-0020-05