某汽油機(jī)進(jìn)氣道性能的cfd分析-吉利汽車(chē)等

1、 229 0.5DCFDCFD AVL 1mm1mm2009 AVL11 212 C dCFMF 12112CFradradAVL0180153AVLCFM1CFMC ( ) 3 ( 11)dCm20CFC( ) CmC( ) cos) sin1(Cm21 ( sin )2(rad)rLr(m)Lm 4C ( 21) 0d TT ()MCmC( )CmTM,TC( ) Cm AVLFireCFD 2009 AVL2為了保證更高的計(jì)算精度，采用分體生成網(wǎng)格后連接的方法（如圖 1 所示），計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)控制在 70-80 萬(wàn)之間。各部分網(wǎng)格的連接為節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的連接，用Conform Connect 的

2、方法實(shí)現(xiàn)。計(jì)算選用的湍流模型為 k-f 模型，為保證計(jì)算精度壁面處的Y 值需要控制在 3-200 以內(nèi)，這就要求嚴(yán)格控制邊界層的厚度。為滿足Y 要求和保證幾何形狀不失真，需要對(duì)穩(wěn)壓腔氣道進(jìn)口附近、氣道、氣門(mén)、導(dǎo)管、座圈及燃燒室等流速較高的部位進(jìn)行細(xì)化，所獲得的網(wǎng)格模型如圖 2 所示。滾流比的計(jì)算方法是在氣缸開(kāi)始處向下 0.5D（D 為氣缸直徑）位置處創(chuàng)建 Faelection，通過(guò)調(diào)用滾流比計(jì)算程序，并計(jì)算通過(guò)該截面繞垂直于氣缸軸線方向的氣流角速度獲得滾流比。為精確控制該截面的位置，需要先將氣缸部分的網(wǎng)格拉伸至 0.5D 位置處，以生成該表面。因此，缸體部分的體網(wǎng)格通過(guò)兩次拉伸獲得（見(jiàn)圖 1）

3、。圖 1 網(wǎng)格連接示圖 圖 2 連接后的網(wǎng)格模型 2009 AVL 先進(jìn)模擬技術(shù)中國(guó)用戶大會(huì)論文3連接后的網(wǎng)格網(wǎng)格連接4.2 邊界條件進(jìn)口設(shè)定總壓邊界條件，壓力值為 1e5Pa；出口為靜壓邊界條件，壓力值為 9.75e4Pa，進(jìn)出口壓差為 2.5e3Pa。為便于收斂，5mm 以下的小升程保證進(jìn)出口壓差為 6.5e3Pa。其他表面為壁面邊界條件，氣體在壁面處的流速為 0。邊界條件設(shè)置如圖 3 所示。圖 3 邊界條件示意圖 4.3 結(jié)果分析根據(jù)計(jì)算結(jié)果及汽油機(jī)進(jìn)氣道的性能要求，對(duì)氣道的流通性和氣流組織性進(jìn)行了分析。流通性包括壓力損失、速度分離、湍動(dòng)能及流量系數(shù)分析，考察的是氣道型線和解面積設(shè)計(jì)合理

4、性；氣流組織性主要是滾流比發(fā)展情況分析，考察的是氣道位置、角度及與燃燒室型式配合的合理性。其中三維結(jié)果的分析通過(guò)沿氣道流動(dòng)方向的關(guān)鍵位置處建立剖面實(shí)現(xiàn)。4.3.1 氣流流通性分析 壓力損失分析圖 4 總壓分布（氣道中心截面） 從圖 4 可見(jiàn)，該進(jìn)氣道與座圈連接位置的臺(tái)階處存在較大的壓力損失（圖中圓圈所示位置），大2009 AVL 先進(jìn)模擬技術(shù)中國(guó)用戶大會(huì)論文4總壓（Pa）出口（Outlet）壁面（Wall）進(jìn)口（Inlet）小約為 2KPa。 速度分離分析圖 5 速度矢量分布（氣道中心截面） 從圖 5 可見(jiàn)，該進(jìn)氣道進(jìn)氣門(mén)背面的座圈及燃燒室處存在明顯的速度分離和渦流（圖中圓圈所示位置），從而造

5、成流動(dòng)阻力過(guò)大，流量系數(shù)下降。 湍動(dòng)能分析圖 6 湍動(dòng)能分布（氣道中心截面） 從圖 6 可見(jiàn)，該進(jìn)氣道的氣道入口附近及進(jìn)氣門(mén)背面附近區(qū)域的湍動(dòng)能較大，說(shuō)明該位置的流動(dòng)不穩(wěn)定，損失較大。 流量系數(shù)計(jì)算結(jié)果根據(jù) AVL 評(píng)價(jià)方法計(jì)算的流量系數(shù)繪制的流量系數(shù)曲線如圖 7 所示。由于該發(fā)動(dòng)機(jī)尚處于在研階段，未進(jìn)入市場(chǎng)，考慮到數(shù)據(jù)保密問(wèn)題，對(duì)圖中縱坐標(biāo)處的具體數(shù)值予以隱藏?？梢?jiàn)，到 6mm 升程以后流量系數(shù)的增加變得很平緩，說(shuō)明大升程下流量系數(shù)主要由氣道本身的結(jié)構(gòu)決定，氣門(mén)開(kāi)度的影響很小。經(jīng)計(jì)算得到該進(jìn)氣道的 AVL 平均流量系數(shù)為 0.303。2009 AVL 先進(jìn)模擬技術(shù)中國(guó)用戶大會(huì)論文5湍動(dòng)能（m

6、2/s2）速度（m/s）圖 7 流量系數(shù)-氣門(mén)升程曲線 4.3.2氣流組織性分析跡線分析圖 8 流動(dòng)跡線（氣道中心截面） 速度分析（0.5D 截面）2009 AVL 先進(jìn)模擬技術(shù)中國(guó)用戶大會(huì)論文6速度（m/s）流量系數(shù)曲線數(shù)系量流02468氣門(mén)升程（mm）圖 9 速度分布（0.5D 截面） 從圖 8 可見(jiàn)缸內(nèi)的滾流發(fā)展情況，有明顯的滾流產(chǎn)生。圖 9 是滾流比測(cè)量截面的速度大小分布情況，可見(jiàn)氣缸前后兩側(cè)的速度大小差別很大，氣流主要從氣門(mén)前側(cè)進(jìn)入氣缸。 滾流比計(jì)算結(jié)果根據(jù)計(jì)算的各升程的滾流比數(shù)值繪制的滾流比變化曲線見(jiàn)圖 10。由于 4mm 升程以下的小升程滾流比較小，不容易收斂，因此只考察 4mm

7、 升程以上的滾流比變化情況?？梢?jiàn)，隨著氣門(mén)升程的增加，滾流比呈近似線性增加的趨勢(shì)。代入平均滾流比計(jì)算公式得該進(jìn)氣道的平均滾流比為 1.85。圖 10 滾流比-氣門(mén)升程曲線5 試驗(yàn)驗(yàn)證此氣道測(cè)試采用的是 AVL 流量試驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)計(jì)算值和試驗(yàn)測(cè)量值繪制了對(duì)比曲線，如圖 11、12所示，以驗(yàn)證計(jì)算值與試驗(yàn)值的偏差。從圖 11 可見(jiàn)，除了 2.79mm 升程的偏差略大以外，其他點(diǎn)的偏差很小，初步分析偏差較大的原因是小升程測(cè)量不穩(wěn)定造成的。最大升程流量系數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差為 0.9%；滾流比計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差為 6.2%，基本滿足工程應(yīng)用的精度要求。說(shuō)明進(jìn)氣道 CFD 計(jì)算的結(jié)果可以用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。2009 AVL 先進(jìn)模擬技術(shù)中國(guó)用戶大會(huì)論文7滾流比曲線比流滾246810氣門(mén)升程（mm）圖 11 流量系數(shù)計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比曲線 圖 12 滾流比計(jì)算與試驗(yàn)對(duì)比曲線 6 結(jié)論1. 該進(jìn)氣道與座圈連接位置的臺(tái)階處存在較大的壓力損失和速度分離，造成流量系數(shù)偏低。2. 最大升程流量系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值的偏差為 0.9%，有較高的精度。3. 最大升程滾流比計(jì)算值與試驗(yàn)值的偏差為 6.2%，滿足工程需要。4. 該汽油機(jī)的進(jìn)氣道屬于大滾流比進(jìn)氣道，氣流組織性很強(qiáng)。5. 氣道的流量系數(shù)和滾流比是一對(duì)相互矛盾的參數(shù)，二者不可兼顧，視具體的發(fā)動(dòng)機(jī)要求而定。中低速的氣流速度較低，希望較高的滾流比，增強(qiáng)