汽油機進氣過程的三維數(shù)值模擬

1、機進氣過程的三維數(shù)值模擬（航空航天大學汽車工程系，100083）摘 要：應用數(shù)值模擬技術(shù)分析機進氣過程，不僅可以彌補試驗研究的還可以為燃燒過程中的氣機工作過程的主要步驟、流組織分析提供依據(jù)。本文綜述了 FIRE 分析機進氣過程的流程、建立以及劃分網(wǎng)格原則和邊界條件的設置；并以四沖程風冷機為對象，分析了機進氣過程中各階段特征，進氣流量變化過程，進氣過程中湍動能的生成與耗散過程以及的分布情況。通過計算分以滾流運動為主；對于析可以得到如下結(jié)論：進氣過程中氣體較弱的區(qū)域位于進氣門下方；缸內(nèi)本文應用的模型，在進氣與活塞運動的共同作用下，進氣流量達到最大點的時刻比氣門升程達到最大點的時刻早 30CA；由于

2、滾流的影響，造成缸內(nèi)濃度較低。濃度分布不均勻，在進氣門下方的區(qū)域混合氣的關(guān)鍵字：進氣，CFD，數(shù)值模擬，機號：TK411The Numerical Simulation ofake Flow of SI-EngineLi Yunqing, Su hong, Wang Jincheng(Dept. of Automobile Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics， Beijing 100083)Abstractor: It not only can make up the disadvantages of

3、testing but also can supply theysis for flow incombustion pros, to calculate theake pros by numerical simulation. The pros to build an engine m,which involve in building steps, the rule of cell size and the boundary condition, has been summarized. For thefour cycles air cooling gasoline engine, the

4、mainlyysis involve the character of each flow phases, the variableofake flow and TKE forake pros and the distribution of fuel concentration. According to the calculationresults, somecylinder；in respect is ear r 30CAs have shownt the influence oft, the flow weakness is under theake valve；there are tw

5、o tumbles inake flow and piston moving, the timing which appearance the flux peakn it which appearance the peak ofake valve lift; the equivalence ratio under theakevalve is low because of the action ofake tumble.Key word:ake flow, CFD, Numerical Simulation, SI-Engine緒論機的燃燒是均質(zhì)燃燒，在早期對缸內(nèi)的要求并不高，但是隨著發(fā)性能的

6、提高，進氣的研究越來越們所重視。由于條件的限制，僅利用實驗很難得到有關(guān)進氣全面信息，并且試驗費用較高，開發(fā)周期也較長，因此利用完善的數(shù)學模型，模擬發(fā)動機的瞬時工作過程可以彌補試驗研究的。本文中，主要是對機進氣系統(tǒng)的初步研究。通過進氣過程的階段特征及流量的分析可以為下一步機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及進氣系統(tǒng)的改進提供依據(jù)；通過進氣過程湍動能的生成與耗散的計算，確定缸內(nèi)氣體壓縮終了時的能量，該能量最終轉(zhuǎn)化為缸內(nèi)的滾流或渦流，強烈的滾流不僅可以增加湍流強度和燃燒速度，還可以減少燃燒的循環(huán)變動，而湍流強度的增大可以提高瞬時的燃燒率，縮短燃燒持續(xù)期，從而提高了發(fā)的熱效率。1.計算模型的建立過程定網(wǎng)格動網(wǎng)格循環(huán)做不同

7、曲軸轉(zhuǎn)角下的氣門的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格循環(huán)做不同曲軸轉(zhuǎn)角下的燃燒室的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖 1網(wǎng)格模型建立的流程組合，形成一套網(wǎng)格將 3 維的面模型分割為 5 部分（進、排氣道及燃燒室為面網(wǎng)格，進、排氣門型線）3 維表面模型，進排氣門升程，活塞運動參數(shù)，配氣相位參數(shù)對已有數(shù)據(jù)進行分析、整理、總結(jié)收集數(shù)據(jù)（包括所有計算的數(shù)據(jù)和 3 維表面數(shù)據(jù)）2 計算條件的設置邊界條件的設定是靠定義數(shù)組實現(xiàn)的，將相應的網(wǎng)格、節(jié)點、表面分類定義成為不同的作中是由 SELECTION 的操作實現(xiàn)的。根據(jù)計組，再給這些組加入限制條件。具體在算需要，計算條件的設置如表 2：表 2 邊界條件設置計算時間步長采用曲軸轉(zhuǎn)角模式，曲軸轉(zhuǎn)角的時間步長

8、是 0.2 o CA ，機的轉(zhuǎn)速為8000r/min。在計算過程以及下面的結(jié)果分析中，設置進氣上止點的位置時為 360 o CA 。本文中的計算主要應用于研究分析，因此計算條件并未按照實際的邊界條件設置。3 進氣過程階段特征內(nèi)燃機缸內(nèi)十分復雜，是典型粘性、有化學反應的三維不定常。發(fā)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運轉(zhuǎn)參數(shù)都對氣缸內(nèi)的氣體產(chǎn)生影響，因此近幾十年來，對內(nèi)燃機燃燒過程的研把相當大的精力花在對氣缸內(nèi)的氣體的研究上。本文中將進氣的過程劃分為如下的五個階段：第一階段：在進氣門開啟的初始時刻，氣流的的速度矢量如圖 6 所示，從圖中可以看出此時無論是氣道內(nèi)或者是缸內(nèi)的流速均較低，但在氣門處的流速很高，主要是由于在

9、氣門處的截流較大。由于初始條件下，進氣道內(nèi)的壓力比缸內(nèi)的壓力低，此時氣體是從缸內(nèi)向氣道內(nèi)流的。此時氣門附近的流速略有變化，但是對進氣道的全局流場的影響并不大，如圖中所示邊界條件本文中應用的值進氣壓力（Pa）98000進氣溫度（K）314進氣過量空氣系數(shù)1活塞頂面作為運動面溫度（K）500氣缸壁作為固定壁面溫度（K）450氣缸蓋作為固定壁面溫度（K）400進氣道壁面作為固定壁面（K）330進氣門表面作為運動面溫度（K）330進氣到內(nèi)的大部分區(qū)域的流速仍然較低。這一過程在整個進氣過程中經(jīng)歷的時間較短，僅在氣門剛剛開啟時存在，隨著進氣門升程的增加，氣體的流向逐漸變?yōu)榱飨驓飧變?nèi)的。圖 6354oCA

10、計算域的速度矢量圖第二階段：隨著曲軸的運動，370oCA 曲軸轉(zhuǎn)角時，活塞由上止點向下止點運動，氣流由于壓差的作用流入氣缸內(nèi)。此時進氣的流速比較快大約為 35m/s。此時截流的作用仍然存在，氣門處的流速仍然很高。但由于進氣門升程不大，進氣的流通截面較小，所以進氣量不大。流入缸內(nèi)的氣體較少，進氣口不斷的流入新鮮混合氣，造成進氣門附近的不均勻，形成若干個渦。同時可以觀察到缸內(nèi)的氣體流線形式中無明顯的渦，此時缸內(nèi)的流速仍然較低，但是在氣門的四周的缸內(nèi)流場已經(jīng)慢慢受到進氣的影響。如圖 7 所示。圖 7 370oCA 計算域的速度矢量與流線圖第三階段：進氣門升程增大，活塞繼續(xù)下行，氣缸內(nèi)的容積增大，缸內(nèi)

11、氣體密度減小，氣缸內(nèi)的壓力減小，使進氣的流速加快；此時，截流的作用仍然存在，影響了進氣道內(nèi)的流速增加，所以在這一階段進氣道內(nèi)的流速并未增加很大，仍以大約 40m/s 的速度流入氣缸內(nèi)，氣門處的截流速度較大。此時的進口流量與進入缸內(nèi)的流量基本平衡，所以在氣門周圍沒有形成渦，進氣道內(nèi)的流線較為光順，沒有渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。由于壁面的阻礙作用，流入缸內(nèi)的氣流在進氣門附近形成若干個滾動的渦。由圖 8 中的速度矢量大小與流線的形式可知缸內(nèi)并未形成較大的，尤其是在氣門下方的流速很低，較弱。圖 8390oCA 計算域的速度矢量與流線圖第四階段：由于氣門升程較大，在氣門處沒有截流的影響，進氣道內(nèi)的流線較為光順，也沒有

12、形成，進氣流速較高，大于 100m/s。此時活塞下行，造成活塞表面附近的氣渦而阻礙進氣流運下，但進氣的氣流流速大，慣量也大，由于壁面的阻力的作用，形成渦 1。但是該渦的形成與氣缸及氣門截面的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)。缸內(nèi)流速的變化不大，大40m/s 以內(nèi)。如圖 9 所示。1圖 9455oCA 計算域的速度矢量與流線圖第五階段：在進氣門關(guān)閉過程中在氣缸內(nèi)也形成了一些小渦，渦 1 形成的主要原因是在進氣門兩側(cè)的不均衡性，而渦 2 和 3 則是由于壁面的阻礙作用而形成的。隨著活塞和氣門的運動，形成的渦慢慢的脫落，在缸內(nèi)形成基本均勻的速度場。進氣道內(nèi)的流速也將慢慢減小。當氣門完全關(guān)閉后，在進氣流入的表面上可以觀察

13、到氣流的波動。主要反映在進氣流量的波動上。312圖 10500 o CA 計算域流線圖4 進氣流量的分析圖 11 曲線表示的是進氣道的進氣流入表面的質(zhì)量流量值。進氣流入表面的壓力為定值，由圖中可知進氣門升程較小時，由于缸內(nèi)壓力和氣道內(nèi)的壓力的共同作用，進氣流量也較小，基本上不進氣；隨著氣門的開啟，流入的質(zhì)量也就越多，進氣流量越來越大；當氣門開度較大時，進氣的流量的變化也較平穩(wěn)的，但并不是在進氣門開度最大的時候進氣流量最大，進氣流量最大值的出現(xiàn)比氣門升程最大值的出現(xiàn)大約早 30 o CA ，進氣流量是活塞運動與進氣共同作用的結(jié)果。并且進氣流量也是波動的，在 540CA 以后的進氣流量還有增加是進

14、氣道內(nèi)的壓力波作用的結(jié)果，進氣門即將關(guān)閉，此時進氣量流入的表面上流入的氣體最后并沒有流入缸內(nèi)，而是參與到氣道內(nèi)的氣流波動的過程當中。如圖 12 所示。曲軸轉(zhuǎn)角o CA圖 11進氣流量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系圖 12574CA 計算域速度矢量圖進氣的質(zhì)量流量（Kg/s）5 進氣過程中 TKE 的變化機的燃燒是均質(zhì)燃燒，并且有電火花點燃混合氣，所以在進氣過程中不需要很強的進氣渦流輔助燃油與空氣混合，僅有一些很弱的氣流運動，通過試驗定量測定的渦流強度也確。但是機缸內(nèi)的氣體仍然對機的燃燒起著重要作用，進氣的滾流在壓縮終了時將會轉(zhuǎn)化成缸內(nèi)的湍流，進而提高火焰的速度，促進機缸內(nèi)的燃燒速率。因此，組織好缸內(nèi)的氣

15、體是實現(xiàn)高效低污染燃燒的關(guān)鍵。圖 13 所示，TKE 表示的是進氣道內(nèi)的湍能，模型是從進氣門開啟時開始計算的，此時進氣門緩慢開啟，氣道內(nèi)的平均的速度較慢，隨著氣門升程的增加，進氣的平均速度也增加，流入缸內(nèi)的混合氣質(zhì)量也增加，TKE 上升；在氣門升程的最高點進氣的平均速度也達到最高點，湍動能也高達到最高點；進氣門關(guān)閉時，進氣的平均流速減小，湍動能減??；氣門處進氣的縫隙減小，氣門處的氣流向兩端擠，形成流速較高的不穩(wěn)定，在進氣門周圍形成能量的渦，在 575 o CA 左右湍能有所增加。圖 14 說明了在進氣末期進氣道內(nèi)的流線形式，可以看出在氣門位置有較大的渦產(chǎn)生，進氣的流線也較為復雜，證明了湍能增加的原因是氣門關(guān)閉后復雜渦的。曲軸轉(zhuǎn)角o CA圖 13進氣過程中的湍能變化TKE(m2/s2）圖 14575 o CA