扩张角对双通道涡流室式柴油机涡流特性的影响

马 仪，袁文华，伏 军

（邵阳学院 机械与能源工程学院，湖南 邵阳 422000）

涡流室式柴油机的燃烧系统中，镶块连接通道对涡流室内涡流形态的发展和涡流强度的影响，最重要因素是其形状、尺寸、倾角和位置等。而目前对连接通道的数量进行的相关研究相对较少，因此基于前期提出双通道结构的研究成果，对两个连接通道的扩张角做出相应的角度改变，研究双通道对涡流室内的涡流特性的影响。但由于发动机内部进行的传热、传质以及化学反应和流体流动等过程相当复杂，受涡流室空间位置等影响，不能直观得到涡流室及通道内部的流体流动特性。而当前，随着计算机技术的不断发展，借助于流体计算软件对数值流体力学和数值传热学等的研究也不断深入，其中，通用流体计算软件采用二阶迎风插值——格式，其中有着较为理想的耗散误差，可以实现较为理想的适应效果，同时可以更好地实现，拥有丰富的湍流模型和算法等。因此，拟采用流体计算软件对设计的双通道带扩张角的涡流室式柴油机计算模型来开展后续的数值分析，从而获得各种扩张角方案具体的涡流室及连接通道流体运动状态，从而比较其在流动速度、涡流强度等方面对涡流性能的影响规律。

1 双通道镶块模型

1.1 双通道镶块几何结构设计

依据当前国内外对涡流室式柴油机镶块设计特点及关键点等要求，在BH175F1柴油机的单通道镶块基础上，提出并设计带扩张角的双通道镶块，并基于涡流室式柴油机镶块研究基础以及流体力学理论中缩口扩口对流体运动特性作用规律，为了能在压缩过程中不影响涡流室中的涡流强度，并且在膨胀过程中促使涡流室中的已燃和未燃混合气能较快流入主燃烧室，使得气体流动稳定，同时还应尽量增大气体流动速度，在本文的设计中，对两个连接通道采用一个缩口、一个扩口的办法，得到9组不同扩张角组合方案，如表1所示。在压缩过程中，气体通过扩口的连接通道A和缩口的连接通道B从缸内压入涡流室，此时，缩口的连接通道B对增大气体流速有重要作用，同时连接通道A可保证气体流通量，使得气体尽快进入涡流室内，促进涡流的形成以及增大涡流的强度。随后喷油嘴开始喷油，涡流室内油气混合，并开始燃烧，气体开始膨胀作功，从涡流室内通过连接通道进入气缸内，在连接通道A由于缩小截面积形成缩口，使得气体流动速度增大，连接通道B对气体流通量也起到了辅助作用。

表1 双连接通道设计方案

带扩张角的双连接通道结构如图1（a）所示，根据几何尺寸建立流体计算区域三维模型，如图1（b）所示。

1.2 物理模型参数

图1 带扩张角的双通道涡流室模型

由于研究的是连接通道为双通道并包含扩张角，其几何形状为基于跑道型的扩口或缩口结构，同时，通道与气缸顶面和涡流室底面分别相连，整体上流体计算区域结构复杂，而求解气缸内流体流动为三维非稳态问题，因此，为了提高网格划分质量并提高模拟计算精度，对涡流室式柴油机燃烧室计算模型进行误差允许范围内的适当简化：（1）不考虑燃油喷射和燃烧过程，忽略喷油和燃烧对研究过程的影响，以气缸和涡流室内空气运动变化作为比较对象；（2）因为镶块上的启动孔面积相对偏小所以采取忽略的处理方式；（3）并未计算活塞环和壁面相互间的缝隙影响，那么将对应的活塞顶面视为气缸等直径；（4）由于只考虑进、排气门均处于关闭状态，将进、排气门处理成壁面；（5）视压缩空气为理想气体，气缸内工质的状态均匀，并且气缸内工质在整个活塞运动过程中无泄漏；表2为计算所需BH175F1小型风冷涡流室式柴油机基本技术参数。

表2 BH175F风冷柴油机基本技术参数

2 数值计算模拟研究

2.1 数学模型

因为活塞随曲轴活动的过程属于非稳态问题，其中的气体特征数据包括了对应的速度、压力以及密度等构成要素，在FLUENT中需要求解的非稳态通用变量N－S方程组为：

该方程组存在对应的5个方程，有着6个未知量：u、v、w、p、T及 ρ，同时也应当填补联系p和 ρ的方程，方才可以实现封闭的效果。由于不考虑进排气过程与喷射燃油和燃料燃烧过程，双通道涡流室热力学模型简化为：

即气缸壁面与通道和涡流室壁面在气体压缩过程中与理想气体的内能之间保持守恒变化，主燃烧室和涡流室内的质量变化之间保持守恒，针对涡流室而言，很显然恒有：

根据质量守恒定律，涡流室、主燃烧室之间存在以下关系：

在求解时根据需要适当补充各热力学模型求解所需子模型后，对热力学微分方程组进行封闭处理。式中：T为流体温度，K；m为质量，kg；φ为曲轴转角，°CA；Q为热量，kJ；V为体积，cm3；下标含义：W为壁面；U为连接通道；i=1、2分别表示涡流室、主燃烧室参数；当p1＜p2时j=2，当p1＞p2时j=1。

同时，考虑到涡流室内涡流特征强烈，求解域存在具有扩张角的双通道，其计算求解域几何结构比较复杂，在求解过程中湍流模型选择对该类问题具有较高适应性的重整化群k-ε湍流模型（RNGk-ε）。通过求解计算上述方程组即可得到任一时刻连接通道和涡流室内任一点的流体流动状态特征参数随曲轴转角的变化。

2.2 网格划分及计算设置

由于模型几何结构复杂，需要对其进行分块切割后划分网格，在本计算中气缸顶部与通道相连，通道顶部与涡流室，各个连接面节点均为连接。为了改善实际的网格划分水平，对并未加入具体分析中的活塞体使用六面体，气缸体部分对网格质量要求极高，采用1.5 mm六面体结构化网格划分，连接通道部分由于结构极不规则，采用0.5 mm四面体，由于涡流室半球形架构较为复杂的特性，使用四面体与楔形网格综合的处理方案，圆柱体形状的涡流室底部则使用六面体进行划分，整体网格总数约32～35万，划分结果如图2所示。

图2 网格划分结果图

同时考虑到，活塞运动属于非稳态计算，而且涡流室内的流体运动属于非定常流动问题，此时模型运用算法更为合适，同时设定了压力亚松弛因子0.3，亚松弛因子是0.7，让动量与压力的亚松弛因子之间相加所得结果为1.0；同时指定In－cylinder函数及重构和光顺法等不同的网格重构与处理方法，并根据本研究具体情况，设置时间步长和迭代次数等参数；调用FLUENT中活塞动网格模型参数设置，曲轴转速定义为2000 r/min，起始转角180°；不考虑缸内燃烧的影响，温度边界设定成，涡流室壁面和气缸铝合金壁面的导热系数设置为209 W/m·K，内连接通道的导热系数设定成151 W/m·K。

3 计算结果及分析

为描述方便，以固定通道A改变通道B扩张角为例对各方案仿真计算结果进行研究。如图3为通道A扩张角为0°，通道B扩张角分别为0°、5°和10°时，仿真计算得出涡流室以及连接通道中空气的速度云图。据仿真结果可得，伴随连接通道B扩张角度的提升，气流流速增大，涡流室内涡流强度呈增强趋势。当通道B扩张角为10°，通道B形成的缩口形状提升了气体的运动速度，由于气流的惯性作用，较高的流速在涡流室内形成一束沿通道B延伸线的方向喷射的气流，不利于其下部低流速区域的气流运动，按照涡流比的运算公式，此时满足：Ωc=ωk/ω（式中：ωk代表压缩结束时内部空间充量的角速度，ωk对应轴装置的运动角速度），那么其涡流比分别为 2.3、2.9 和 4.7，所以当 βb为 10°，此时形成的涡流比超出正常涡流比2.8～3.1的范围，加大了涡流室内对流换热，对于柴油机的整体性能造成了负面影响。

图3 βa为0°，增加βb时连接通道与涡流室内速度云图

图4 βa为5°，增加βb时连接通道与涡流室内速度云图

图4所示为βa为5°时，βb逐渐增大时随着曲轴转角的变化涡流室内的速度云图。可以看出，通道B的扩张角逐次增加，涡流室内产生的涡流外围平均流速均有所提升，在上止点周围位置，球形涡流外围的流速各自提升到91.2 m/s、112 m/s和123 m/s，此时形成的涡流比各自是3.0、3.5和3.9；此时过大的连接通道B扩张角也会造成涡流比过大的问题。而且由于涡流室内气流表现出球形变化的趋势，在涡流室底部两侧形成了低流速区域。整体上来看，连接通道A扩张角的大小是5°，同时连接通道B的扩张角也为5°时，气流在流进流出连接通道时的阻力均较小，此时气流流动特性相对较好。

当固定 βa为 10°时，逐渐增加 βb的大小，此时涡流室和连接通道内的气体流速以及气流随曲轴角度的变化如图5所示。结合图示内容可看出，随着通道B扩张角角度的增加，涡流室内高速气流的流域不断拓展，在球形涡流区域的上部位置，高速气流能扫过较大范围，这有利于促进涡流室内的油气混合。当曲轴转角为°时，连接通道A的气流速度整体减少到上下，连接通道B内气流速度减少到上下，同时可看出气缸内气流通过扩张角为10°的连接通道A时相对流动阻力较小，气流可以快速的通过，此时涡流室内的球形涡流流速仍保持较高速度，经计算涡流比分别为2.9、3.1和4.2。

图5 βa为10°，增加βb时连接通道与涡流室内速度云图

另外，由于连接通道A为10°时，连接通道在涡流室内开口端截面积较大，气流出口面积大，能够有效消除涡流室底部靠近通道A的低流速区域，使得涡流室内整体气流流速较为均匀；而连接通道B的扩张角较大时气流流速有更明显的提高，然而由于连接通道B的缩口设计，连接通道B的扩张角为10°时对应着的涡流室内开口截面积过小，不利于气流通过此通道返回主燃烧室，气流阻力较大，连接通道内返回主燃烧室的流速平均只有30～45 m/s；从整体上来说，连接通道B扩张角为5°时，涡流室和连接通道内的气流形态较好。

同时，综合上述仿真计算结果可以发现，固定通道B扩张角分别改变扩张角A时的涡流室气流形态发展规律，即在相同通道B扩张角下，增大通道A扩张角，其涡流比呈现出先增大后减小的趋势，涡流室内气流运动高速流体区域逐步增大，对较小涡流室底部低流速区有较好作用，另外，在连接通道A扩张角达到10°时，配合不同的通道B其涡流室内涡流比均朝向有利于增大高流速区域和减弱过于强烈的涡流的方向发展，对提高油气混合充分度和保证涡流室热效率有利。

4 结语

（1）据数值模拟计算得出，当连接通道A扩张角保持不变，依次改变通道B的扩张角为0°、5°和10°时，在（活塞到达）上止点之前，涡流室内的涡流形态呈增强趋势。其中当通道A扩张角为0°，通道B扩张角分别为0°、5°和10°时，其涡流比分别为2.3，2.9，4.7；通道 A 扩张角为 5°时，通道 B 扩张角分 别 为 0°、5°和 10°时 ， 其 涡 流 比 分 别 为3.0，3.5，3.9；通道 A 扩张角为 10°时，通道 B 扩张角分别为 0°、5°和 10°时，其涡流比分别为 2.9、3.1 和4.2。而在上止点之后，通道B扩张角越大，气流流经通道B返回主燃烧室膨胀做功的流速则越小，气流受通道B流动阻力作用更大。

（2）当固定通道B，增大通道A扩张角时，高速流体部分抵达的范围显然更广阔，此时内部运动中心更加接近几何中心，对提高涡流室内流速和建立并保持较强的涡流形态有加大贡献，并且气流返回时流动阻力也更小，有助于气流顺利通过通道A返回主燃烧室。

（3）综合分析，相同的通道A扩张角，随通道B扩张角增大，涡流比增大，通道B扩张角为10°时其涡流强度均超过最佳范围，对其保温等性能不利，通道A扩张角为10°而且通道B扩张角为5°时，涡流比为3.1涡流强度较强，并且不至于过强而导致涡流室内对流换热过大降低其性能。