PCV阀CFD模型简化计算方法

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本文利用CFD求解软件STAR-CD对发动机零件pcv阀进行数值模拟，计算不同空气流量下的压力损失，并与试验结果对比，完成cfd模型的标定。

PCV（Positive Crankcase Ventilation）系统，即曲轴箱强制通风系统。发动机工作过程中，燃烧室内的气体不完全充分燃烧，少量气体经过活塞环窜入曲轴箱。曲轴箱内窜气不予以清除就会稀释曲轴箱中的机油，导致机油粘度降低，运动零部件磨损。PCV作用是利用进气系统的负压将曲轴箱的窜气吸入进气歧管或节气门前端的干净管内，在那里与新鲜空气一起被吸入气缸进行再燃烧。PCV系统是发动机排放控制系统的组成部分。

一、计算模型

流体的运动满足质量守恒、动量守恒和能量守恒，黏性流动方程（N-S方程）包括上述三大方程。STAR-CD是基于有限体积法的通用计算软件，在网格生成方面，采用非结构化网格，单元体可为六面体、四面体、三角形截面的棱柱、金字塔形的锥体以及多面体，还可与CAD、CAE软件接口，如和ANSA、Hyper mesh等前处理软件、field View等后处理软件结合，这是ST A R-CD在适应复杂流体域方面的特别优势。

一种典型的P C V阀为旋风式结构，如图1和图2所示，混合气体在阀内的运动过程直接影响油雾的分离效果。通过CFD技术能够模拟出气体在PCV阀内的运动情况，并计算结构对气体的阻力。

计算模型由封闭内表面组成，本文中将混合气近似为常温的空气，密度取1.205k g/m3，动力粘度为1.81E-5k g/（m・s）。利用CFD软件将计算域离散化，单元长度0.5mm，保留很小的几何特征，划分多面体网格86万左右单元数，网格模型如图3所示。采用K-Epsilon/RNG湍流模型封闭N-S方程，参数设置如图4所示；方程采用SIMPLE方法求解，并用代数多重网格法（AMG）加速计算，计算的控制参数设置如图5所示。

二、边界条件

图3中左侧进气端设置为大气压力，压力边界参数设置如图6所示；右侧出气端设置为均匀流速，速度边界参数设置如图7所示，流速由表1给出。

模型的简化方法：速度模型忽略图2所示支撑橡胶阀片的弹簧对气流的影响；忽略弹簧的支撑作用，橡胶膜片为水平安装，且不因气流作用而变形。

三、计算结果分析

对CFD软件计算结果后处理，如图8所示，以虚拟的流线显示流体微元在流场中的运动轨迹，并通过颜色反映流速大小。图9～图11是流场壁面上的静压压力云图、总压压力云图和速度云图，图12也可以通过切面来反映局部的速度大小和方向。

由CFD软件计算不同流量，得到出口处的空气压力损失，不同流量下的压力损失如表2所示。

该类型PCV阀又称作呼吸器，橡胶阀片会因空气流量的不同而变形，弹簧的压缩量也会发生变化。如果简化橡胶膜片为水平安装，且不可变形，不受气流的作用，必导致计算压降值的偏差。模型中忽略弹簧对气流阻挡的影响，必导致计算压降值比实际压降值小。不论直管、弯管或者突变截面管，稳态计算中固定的流场空间都能获得与试验相吻合的计算结果。因此呼吸器的橡胶膜片和弹簧的运动是造成计算结果偏差的原因。

根据公式，其中总水头损失hw为各分段的沿程水头损失与沿程各种局部水头损失的总和。因此橡胶膜片处的压降可分离出来，用Y ′表示。试验压降值=CFD计算值+Y ′图13表示试验压降与C F D计算压降之间的差值，即Y ′=0.002X 2-0.005X -0.091。

因此，对于PCV阀压力损失的模型标定流程如图14所示。

四、结语

该计算方法的优点在于：根据总管的水头损失满足线性叠加的原理，通过比较试验值和CFD模型计算值之间的偏差，将呼吸器中橡胶阀片和弹簧对压降的贡献量单独提取出来。在变更产品设计过程中，如果需要考量压降值，若不涉及弹簧及橡胶阀片的结构，整个系统的压降可通过简化的CFD模型叠加Y ′得到，节省了重复试验的时间。