柴油机螺旋进气道三维流场数值模拟
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摘要：为研究柴油机进气系统的流场，通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)数值模拟手段对某柴油机进气系统即螺旋进气道―气阀―气缸的气流进行三维数值模拟.分析柴油机螺旋进气道的流动特点，揭示发动机进气过程的三维流动特性，有助于了解进气过程的复杂流动现象，为柴油机进气系统性能的进一步改进和优化设计提供理论依据.
关键词：柴油机；螺旋进气道；流场；计算流体力学
中图分类号：U464.172；O35；TP391.9文献标志码：A
Numerical simulation on helical intake-port 3D flow field of diesel engine
WANG DONG1， HUANG Zhen2， ZHANG You3， WANG Shifang3
(1. College of Automotive Eng., Tongji Univ., Shanghai 201804, China;
2. School of Mechanical Eng., Shanghai Jiaotong Univ., Shanghai 200030, China;
3. Shanghai Diesel Engine Co., Ltd., Shanghai 200432, China)
Abstract：To study the flow field of diesel engine intake system, 3D numerical simulation on the intake system of a diesel engine, i.e. the airflow of helical intake-port, valve and cylinder is done based on Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical method. The 3D helical intake-port flow are analyzed and 3D flow characteristics of intake process are revealed. These help to understand the complex flow phenomena and provide some theoretical bases for further performance improvement and optimization design of diesel engine’s intake system.
Key words：diesel engine; helical intake-port; flow field; computational fluid dynamics
0引言
由于柴油机具有良好的动力性、经济指标和环保指标，在汽车市场上的份额不断上升.柴油机的性能指标主要取决于燃料燃烧的程度，因此改进燃烧质量是改善柴油机性能的主要途径.影响燃烧过程的因素很多，其中混合气形成是影响燃烧过程的主要因素.
进气流动状态很大程度上决定着柴油机混合气的形成质量，进气道空间形状是影响进气性能的重要因素之一，对整机性能也有较大影响.由于柴油机进气道的几何形状非常复杂，传统的螺旋进气道设计流程采用经验设计加上稳流实验台上的反复试验，多次修正气道形状的方法对其结构参数进行优化.在设计开发中存在着较大的盲目性和局限性，设计开发周期长、耗费大.更重要的是，这些实验测量结果是流动的综合量，只能表征流动的宏观特性，从整体上获得进出口的时间与空间的平均值，不能获得气道内流场的各种参数及气道结构、形状和尺寸等对气体流动的具体影响，对进一步改进气道性能无法提供更多的信息，气道设计主要依靠设计者的经验.
采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）数值模拟方法研究进气道内的流动，不仅能够获得进气道、气门和气缸等结构参数对流动宏观特性的影响，而且可以得到其内部流场的大量微观信息，从而建立气道形状与通流特性的关系，为进气道的设计和改进提供重要的理论依据.
本文通过计算流体力学数值模拟手段对某型柴油机进气道―气门―气缸结构中的流场进行研究和分析,揭示柴油机螺旋进气道的流动特点及其对缸内流动的影响.1CAD模型建立和计算网格生成螺旋进气道形状复杂，其外表面是变化复杂的自由表面，难以用数学方程表达，因此采用激光扫描仪来获取其表面数据，然后通过ProEngineer软件造型.
2流场控制方程及求解
2.1流场控制方程
主要对柴油机进气道内的流场进行模拟分析，不考虑流体与外界的热交换，其流体动力学特性可以用下面的连续性方程和动量守恒方程描述.
(1)进出口采用压力边界条件，为便于实验验证，取与气道稳流实验时相一致的初始条件，即进口截面处总压为1.013×105 Pa，环境温度为25℃，进出口压差为2.5 kPa.
(2)固定壁面采用绝热无滑移边界条件. 3计算结果分析
根据以上建立的计算模型，对这种柴油机在某小气门升程时的进气道―气门―气缸结构中的气体进行三维CFD计算.在螺旋进气道的进气过程中，气流的流动状况非常复杂，会发生旋转、分离和回流等现象（见图3～6）。
(1)在进气道直线段向螺旋段过渡的内侧处气流速度接近最大值（图3(a)），气道截面处的速度分布非常不均匀，靠近流道外侧的速度矢量较大，相应的流量也较高.较大的速度梯度将带来较多的流动损失.
(2)阀杆附近气流产生明显的滞止、分离和回流，有旋涡存在（图3(a),(b)，图4和6），减小了气道的有效通流面积.这是由于前方气阀导杆的存在，使气流的流动受到阻碍，而且从气道的直线段到螺旋段的过渡，导致流道截面产生急剧且不规则的收缩.
(3)速度矢量从截面上部向出口方向逐渐增大，其中轴向分量增长较快，这是由于气道顶面斜坡迫使气流转向出口（图5和6）.
(4)由于进气射流从气阀外缘分离，从而在气阀盘下方产生明显的回流区，形成一对旋向相反的小尺度旋涡（图5和6）.而且进气射流从气门座内侧分离与气缸壁的相互运动，在缸内形成一对旋向相反的大尺度旋涡(图3(f))，对缸内流动有着显著影响.
(5)由于回流和旋涡的影响，缸内速度场分布很不均匀.由于气体的黏性耗散，随着向出口推进，不同方向大小尺度的旋涡逐渐合并成顺气道螺旋方向强度较弱的大尺度旋涡，使速度不均匀度逐渐改善（图3(d)～(f)）.
(6)气体在进气道螺旋室中产生强烈的螺旋运动，螺旋运动的气流通过气门开启截面，沿着锥形气门以旋转的锥形射流进入气缸（图3(b)和(c)）.进气射流与气门、气门座以及气缸壁的相互运动，形成复杂的旋涡运动，在缸内形成多个方向的滚流和涡流.由于螺旋室的斜坡段产生的气流角动量是气缸内形成旋流的主要分量，因此气缸中主涡流的方向为顺气道螺旋方向(图3(f)和(g))；主滚流的方向也为顺气道螺旋方向（在xz平面上为顺时针方向，见图6），主滚流的中心位于气门盘下方. 4计算结果的实验验证
国内外对涡流方面的评价方法比较成熟，通常使用Ricardo，FEV，AVL和SWRI 4种方法.本文使用AVL方法，即
将本文计算结果与文献[1-3]的结果进行比较可知，本文的模拟计算获得较高的计算精度.通过对其他气门升程时流场的计算，也得到类似的结果.5结论
通过CFD模拟对某型柴油机在小气门升程下进气道―气门―气缸结构中的流场进行研究,揭示柴油机螺旋进气道的流动特点，为避免人为设计不合理造成的流动损失及螺旋进气道的进一步改进和设计提供理论依据.
在气道研制阶段，应用数值模拟技术分析气道内流场，对气道内的流动现象进行分析和预测，从而预测气道的性能.这种方法可减少大量的重复试验工作，使气道形状设计更为科学合理，其研制效率和水平大大提高.
参考文献：
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注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”