入口流场对进气歧管进气均匀性的影响研究

2021-10-31朱晨虹郭迁李楠黄英铭陈良吴广权

车用发动机 2021年5期

朱晨虹，郭迁，李楠，黄英铭，陈良，吴广权

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434)

进气均匀性是进气歧管最核心的性能之一，它直接影响发动机的燃烧性能。仿真是设计前期指导歧管内气道设计优化的重要手段，目前行业内对进气均匀性的计算过程，尤其是对计算工况选取和计算数据模型简化两方面都比较单一，少有更深入的研究。吉利汽车苏晓燕等、上汽通用五菱朱茂强等、安徽江淮王三星等、重庆大学李军等通过优化进气歧管结构改善其均匀性，均在仿真过程中用歧管入口出口分别做直线段延伸作为计算数据模型[1-4]，且对计算工况的选取未做过多的说明。龙彪等[5]利用稳态计算方法和结构优化改善进气歧管均匀性，在仿真过程中带入缸盖气道和节气门全开的阀体内气道模型与进气歧管共同作为计算数据模型，相比而言模型更加贴近实际，但并未对计算工况和计算数据模型的选取做更深入探究。曾响等[6]研究进气歧管总管长度、歧管长度、稳压腔容积等多因素对均匀性的影响，在模型选取时只选用歧管和缸盖气道作为计算数据模型，未全面考虑到计算模型差异所导致的结果差异性。高朋博等[7]在分析入口锥角和歧管长度对均匀性影响的过程中仅使用歧管气道作为计算数据模型，并未说明计算工况。马勇等[8]利用一三维耦合进行了进气歧管结构优化的分析，对入口有弯管结构的进气歧管模型在计算时忽略弯管，改用直管代替弯管作为仿真模型。杨帅等[9]利用瞬态计算法分析了进气增压压力、转速等多因素对进气均匀性的影响，而在选用模型时只选用进气歧管气道作为计算数据模型。钱多德等[10]利用仿真手段改善优化进气歧管结构的过程中，选取入口进气弯管、出口缸盖气道等作为进气歧管计算的较详细结构，但在计算过程中未考虑节气门模型，并且只选取单一计算工况进行结果比对。本研究认为模型入口结构对进气均匀性有不可忽视的影响，入口结构包括节气门内部阀板在不同工况下的角度、节气门前后的管道直线段设计、节气门前弯管结构等，目前这些因素在进气歧管进气均匀性计算选用模型过程中不受重视，导致仿真没有更全面地覆盖极限边界，从而不能准确地指导设计优化。

为此，本研究选用两款典型结构进气歧管，且已采用初始计算数据模型和计算工况将均匀性优化至理想状态，用star-ccm+软件分别对进入模型的质量流量、节气门角、节气门前管路以及节气门前后模型直线段长度进行多组对比计算和理论分析，并用稳流试验台验证了计算设置模型的合理性，论证进气歧管入口流场各因素对其进气均匀性有不可忽视的影响，从而提出更合理选取仿真计算模型的方法。

1 基础理论

1.1 进气歧管数学模型

发动机进气歧管内气体流动可视为可压缩、黏性、湍流流动，满足质量、动量和能量守恒方程[11]。国内外学者对流体湍流模型做过很多理论研究[12-13]，而κ-ε湍流模型因具有较高的精度被广泛应用于计算流体力学中，其中κ-ε模型数学表达式如下。

湍流动能方程为

(1)

湍流耗散率方程为

(2)

式中：κ为湍动能；ε为湍流耗散率；ui为i方向的速度分量；xi为i方向的空间坐标位置分量；μt为湍动黏度；Gκ为有层流速度梯度产生的湍流动能；σκ，σε为湍流普朗特数；C1ε，C2ε为经验参数。

1.2 进气歧管内流体损失

一般情况下，对于黏性流体，在经过粗糙管道流动过程中的总损失包括沿程损失和局部损失两部分[14]。

hw=∑hf+∑hj。

(3)

式中：hw为总损失；hf为沿程损失；hj为局部损失。

沿程损失：运动流体与壁面摩擦，将一部分运动机械能转换为热能。其公式为

(4)

式中：λ为沿程损失系数；l为管道长度；d为管道直径；V为管道内平均速度。

局部损失：运动流体经过弯头、阀体等结构时，其运动受到扰乱，分离产生漩涡，一部分运动机械能会相应耗散。

(5)

式中：ζ为局部损失系数。

1.3 进气歧管进气偏差

压损偏差[5]：

(6)

质量流量偏差[4]：

(7)

式中：pi为第i缸的压损；pave为各缸压损平均值；Qi为第i缸的质量流量；Qave为几缸平均质量流量。通常，偏差越小，进气歧管的均匀性越好。

2 初始计算模型及验证

2.1 初始数据模型建立

本研究计算对象为某3缸机的两款进气歧管(见图1)，分别包含3个进气分管，模型1为典型的侧边入口的进气歧管，模型2为中间偏置入口的进气歧管。行业内常规进气歧管的均匀性计算数据模型通常只包含进气歧管模型[1-4]，或者部分带入节气门模型(只考虑全开，阀板角为90°)。

图1 气道模型

本研究计算数据模型包括缸盖进气道、进气歧管内气道、节气门内气道，出入口分别做一段直线延伸(见图2)。

图2 计算模型

采用多面体网格，对圆角、节气门阀板、进出口位置进行局部加密，共约50万个网格。

2.2 初始模型计算方法及评价指标

进气歧管进气均匀性计算有稳态和瞬态两种方式，本研究采用稳态计算方法。行业内普遍使用稳态方法[1-5]，评价指标较一致，且计算耗时短、效率高，尤其是对于多组数据横向对比十分适用。计算顺序见表1。

表1 初始模型计算顺序

稳态计算有两种方法[5]：方法一是用固定质量流量和压力为出入口计算边界，得到模型每个支管的压差，评估压损大小和偏差；方法二是采用固定压差作为出入口计算边界，得到各支管的质量流量，评估质量流量大小和偏差。两种方式原理类似，通常在进气歧管设计优化过程中，利用发动机全负荷实际质量流量和进气压力计算各支管压差及偏差，对压力损失进行优化，达到理想目标后，对压损优化合格的终版气道先利用方法一得到各支管压差平均值，然后采用方法二计算各支管质量流量及偏差。

方法一为压损及压损偏差评价方法，方法二为质量流量及质量流量偏差评价方法。初始模型为已优化合格的气道，最终选取质量流量偏差进行评价以便下文横向对比，普遍采用的指标为仿真质量流量偏差在±2.5%以内。

2.3 初始模型计算工况及结果

计算工况体现在计算模型里即为节气门的阀板角α和通过节气门的质量流量m以及进气压力p等参数。行业内普遍选择节气门全开、最大进气量、最大进气压力工况为唯一考量工况。本研究初始模型计算工况见表2，计算结果见表3，模型流线图见图3和图4。

表2 计算工况

表3 计算结果

图3 模型1 流线图

图4 模型2 流线图

结果显示，以前述计算模型优化得到的两款歧管的终版气道质量流量偏差都在±1%以内，满足±2.5%指标要求，均匀性较好。

2.4 初始计算模型试验验证

2.4.1 验证试验台

气道稳流试验台为行业内较普遍应用的测试进气歧管均匀性的试验台，该装置为吸气工作方式。工作时，被测模型置于该装置的模拟缸套上，启动风机，气流经由气道(进气道)—模拟缸套—动量计—稳压桶—流量计—稳压箱—风机，然后排出(见图5)。由位移传感器得到气门升程，由压力传感器获得气道压差，测量气体角动量主要有动量计和叶片风速仪两种方式，最后通过流量计获得流经气道的流量。在获得以上4个数据的基础上，通过计算得到无量纲的流量系数。

图5 气道稳流试验台

2.4.2 验证过程

分别对模型1和模型2进行测试，测试模型与初始计算模型一致，包含缸盖气道、进气歧管、节气门(见图6)。节气门用稳流电源控制在节气门阀板全开(α=90°)，测量过程控制模型总压差在3 kPa左右，与初始模型计算所得压差相当，气门升程控制为最大升程。

图6 测试过程

取30个数据的平均值为最终数据，以保证结果准确性。为了消除试验压差波动导致的质量流量波动，试验数据用无量纲流量系数作均匀性分析。

2.4.3 验证结果

验证结果见表4。由表4可以看出：试验与仿真存在一定的偏差。造成偏差的原因包括计算模型与试验模型的偏差、湍流模型的精度[15]、进气歧管和缸盖的制造误差及试验测量精度等。但总体来看，试验结果与仿真结果的一致性较高，验证了本研究star-ccm+软件中计算模型设置的合理性，同时表明本研究中的仿真计算具有较高可信度，初始模型的参数设置可用于后续的研究。

表4 验证结果

3 入口流场对均匀性影响探究

结合两款进气歧管的实际装配情况，本研究针对初始计算模型做进一步探究，主要探究模型入口流场各因素对进气均匀性的影响。

计算数据模型简图见图7。图7中：粗实线代表进气歧管气道部分；圆圈代表节气门；α代表节气门的阀板角；m代表流过节气门的质量流量；L′代表节气门前的进气弯管；L1和L2分别代表节气门前后的直线段。

图7 数据模型简图

本研究结合质量流量m、节气门后直线段L1、节气门前直线段L2各因素对初始模型进气均匀性的影响，重点探究歧管前节气门的阀板角α和节气门前弯管L′两个因素对进气均匀性的影响。

3.1 质量流量m对进气均匀性的影响

实际发动机使用工况包含各种不同的进气质量流量。固定其他变量，改变模型的压差设置，以此代表质量流量的改变，用模型1和模型2 分别选取α=20°和α=90°两个极限节气门角进行对比，每个模型对比3组不同压差(3，4，6 kPa)下的进气均匀性数据，结果见图8。

图8 不同压差设置对均匀性的影响

由图8可以看出，对于同一计算模型，施加不同质量流量(压差)对进气均匀性的大小和趋势都没有明显影响。可以认为，在进气歧管进气均匀性计算中，只考虑最大质量流量作为计算工况是合理的。

因此，为方便对比其他影响因素，下文使用统一压差设置对各参数进行对比。初始模型1和模型2所得压差均在3～3.6 kPa，后续以3.6 kPa为统一压差值。

3.2 节气门阀板角α对进气均匀性的影响

实际发动机使用工况包含从最小到最大各种节气门角(通常最小开度略大于0°，最大开度略小于90°)。固定其他变量，改变节气门角α(同时意味着质量流量m的改变)，用模型1和模型2分别配合5组不同节气门开度(20°，30°，60°，75°，90°)模型(见图9)，研究其对进气均匀性的影响。

图9 不同角度的节气门阀板

需要说明的是，与初始模型比，本计算数据模型加上了节气门前的弯管，因此全开时的进气均匀性与初始模型表现不同，但不影响横向对比和观点说明。计算结果见图10。

图10 不同节气门阀板角对均匀性的影响

图10可知，不同模型计算结果呈现出类似的规律：节气门较小开度时，各支管均匀性偏差极小，节气门较大开度时均匀性偏差较大，超过±2.5%。另外，模型2的结果中，阀板角从75°变化到90°，偏差变化绝对值变化不大，但其趋势从2缸进气最优变化为2缸进气最差。

节气门小开度时原因分析：1)节气门阀板主要起到节流的作用，从流线图11a可以看出，节流导致气流在经过该阀口时速度较大幅度升高，而压力损失与速度平方成正比，最终导致该位置的损失极高；2)气流流过阀口后到进入歧管分管仍有一段直线距离作为稳流缓冲区，图11a中该直线段长度大于图11b或图11c中的长度。综上，节气门小开度时，流向进气歧管的各分管的气流压损差异较小，本研究中两款进气歧管均匀性在节气门小开度时都较好。

图11 节气门处局部流线图

节气门较大开度时原因分析：1)节气门阀板对气流主要起到导向作用，这种导向作用会改变经过阀口后气流的流动方向并引起流线混乱(包括节气门处的流线和流入歧管各分气道的流线)，且不同角度(工况)时对同一分气道和相同角度时对不同分气道有不同表现，导致机械能耗散差异，表现为各缸流量差异；2)两款歧管都布置紧凑，节气门后至稳压腔总管较短，稳压腔较小，节气门阀板角对气流的导向作用引起的各分气道流动差异较明显。

综上，初始计算模型仅考量节气门全开工况，依然存在实际进气均匀性不达标的可能性，尤其是在节气门大开度时。

3.3 节气门前弯管对进气均匀性的影响

实际发动机进气歧管的装配环境中，节气门前几乎不可能为直管结构。固定其他变量，改变计算模型中弯管L′，结合歧管在发动机上实际布置情况，用模型1和模型2分别计算有无代入节气门前弯管模型对进气均匀性的影响。计算结果见图12和图13。

由图12a和图13a知，与初始计算模型中将入口做直线延伸段相比，模型1和模型2代入弯管后的气流均匀性结果均有明显恶化，最大偏差超出±2.5%范围。用质量流量偏差的绝对值表示进气不均匀度，代入弯管后模型1的不均匀度恶化约2.7倍，模型2的不均匀度恶化约10倍。其中，模型2中3个缸的均匀性趋势也发生改变，由2缸最优变为2缸最差。

原因分析：1)节气门前为弯管时，如图12c和图13c的流线显示，从入口至稳压腔前流线明显较为混乱。气流从弯管流向节气门的过程中，气流方向有较大的改变，气流因流动惯性会先流向气流方向对立面的壁面上，部分经过反弹会在管道内形成绕流，部分通过管道壁面的导流作用流向歧管，在较乱的入口流线作用下，甚至会形成如图12c中的漩涡，或者如图13c中气流明显沿左侧壁面流动的现象，这些现象都与入口为直管结构时有明显不同。这种因入口弯管结构导致的流线混乱将会在很大程度上增加流体经过该弯管时的机械能耗损，即增大流体的局部损失。2)稳流空间不同，这种因管道方向突变导致的局部损失在气流流向3个出口时会表现不同，结合路径不同导致沿程损失对于3缸也不同[16]。3)两款歧管都布置紧凑，节气门后至稳压腔总管较短，稳压腔较小，管道结构在弯管后没有足够长的稳流段，无法使气流在流向歧管分管前达到平顺流线效果。总之，入口直管和弯管结构会导致不同的均匀性结果。

图12 入口弯管对模型1进气均匀性的影响

图13 入口弯管对模型2进气均匀性的影响

综上，初始计算数据模型用直管延伸代替弯管结构做进气歧管均匀性计算仍存在实际进气均匀性不达标的可能性。

3.4 节气门后直线段的影响

固定其他变量，只改变计算模型中节气门后直线段，用模型1，α=30°计算节气门后(从节气门阀板轴线算起至第1缸)不同直线段长度对进气均匀性的影响，结果见图14和图15。

图14 节气门后直线段对进气均匀性的影响

图15 1缸流线图

直线段L1越短，进气歧管质量流量偏差越大，均匀性越差。因为直线段越短，从该直线段前管道(即进气弯管和节气门阀体)流过来的气体的稳流空间越小，气流来不及稳流就要再一次改变流动方向和截面，如图15b，由于管道局部结构改变导致产生部分分流和旋涡。因为气流进入每个支管的路径长度不同，管道稳流效果不同，导致这种结构对进入不同支管气流的影响程度不同，最终导致进气均匀性改变。直线稳流段越短，直线段前的弯管和节气门阀体对进气歧管均匀性偏差的影响就越大。

需要说明的是，本研究模型1的L1初始长度约70 mm。第3.2节的结果表明，在原长度的模型中，30°时该歧管各分管偏差极小，而在长度缩短50 mm后，却表现出明显的不均匀性，也就是节气门后直线段长度从70 mm减至20 mm进气不均匀度恶化约10倍。

3.5 节气门前直线段的影响

固定其他变量，只改变计算模型中节气门前直线段，用模型1，α=90°计算节气门前不同直线段长度(从节气门阀板轴线算起至弯管出口端)对进气均匀性的影响，结果见图16和图17。

图16 节气门前直线段对进气均匀性的影响

图17 1缸流线图

直线段L2越短，进气歧管均匀性偏差越大。因为当直线段越短时，从该直线段前管道(即进气弯管)流过来的气体的稳流空间越小，气流来不及稳流就要再一次改变流动方向和截面，导致产生部分分流和旋涡(如图17b)。因为气流进入每个支管的路径长度不同，管道稳流效果不同，导致这种结构对进入支管的气流的影响程度不同，最终导致进气均匀性改变。直线稳流段越短，直线段前的弯管对进气歧管均匀性偏差的影响就越大。

本研究中模型1的L2初始长度约40 mm，前述结果表明在原长度的模型中，90°时该歧管各分管偏差较大，而在L2增加40 mm后，其均匀性也有明显的改善，也就是节气门前直线段长度从80 mm减至40 mm过程中，进气不均匀度恶化约3倍。