基于CFD的柴油机进气流动瞬态数值模拟与试验研究

万方数据

翌竺：曼黧鬯篓苎羔要詈戈Ｅｎｇｉｎｅ生成的。图２为３计算结果及分析进气门开启时刻的网格划分。

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图ｌ进、排气道及气缸几何模型

图２３４０。曲轴转角计算网格图

在实际流动区域的内部及进出口边界处等不与壁面接触的部分采用规则的长方形和正方形．控制容积的各个侧面保持垂直或平行于某一坐标轴。对于不规则壁面的控制体网格．则采用去除边界层的方法．去除背景网格的边界层并且使网格的相应侧面投影到曲面上生成贴体网格。气门及壁面处的网格采用局部细化的措施以节省计算时间并保持计算精度。

参考ＢＯＯＳＴ计算结果．设进气压力为０．２３２ＭＰａ，进气温度为６７。Ｃ，其它边界条件列于表２。

表２边界条件

边界区域壁面温度／℃边界形式

进气道壁面１２７固定壁面

～

气门表面１４７运动壁面

活塞顶面３６２运动壁面

气缸盖底面２７７固定壁面

气缸套壁面２２７固定壁面

在进行移动网格的插值计算时，活塞的运动由曲柄连杆机构的运动规律确定．进气门和排气门的运动分别由进、排气门升程情况确定。计算步长设定为：换气过程为０．２５０（曲轴转角，下同），压缩过程为０．５０．喷雾燃烧过程为Ｏ．２０。

流动模型采用蠡叫双方程湍流模型．选择有限体积法对偏微分方程离散求解．压力一速度藕合计算采用ＳＩＭＰＬＥｔ叼＇／ｊ＂法。计算过程中定义进气上止点为３６００．模拟计算起始角度为３４００（进气门开启时刻）．终止角度为８３１０（排气门开启时刻）。

２０１０年第４期３．１换气过程分析

缸内残余废气量对发动机的排放性、动力性、燃烧稳定性、容积效率都有很大的影响。缸内残余废气包括上个循环滞留下来的燃烧产物和气门重叠期向缸内回流的废气。不同的气门叠开度和不同的负荷使得废气的回流作用也不同。

气门叠开期进、排气道及气缸流场分布如图３所示。由图３ａ可见，在进气门刚开启时，燃烧室内存在一定的压力．在排气冲程中残留在缸内的废气在压差的作用下。从气缸流向进气道。

图３气门叠开期进、排气道及气缸流场分布在排气门保持一定开度的情况下．随着进气门升程的增大．进气道、燃烧室和排气道之间的流动阻力减小．新鲜充量在正向压差的作用下流入气缸，与缸内残余废气进行混合。部分充量可以直接排入排气管中。实现扫气过程（图３ｂ）。另外，此时由于气门间隙很小．狭窄部分形成很大的射流速度，气门附近的流通区域成为整个流场中压力、速度梯度变化最大的位置。

３．２进气一压缩过程分析

排气门关闭时刻两进气道内流场分布如图４所示。从图４可以看出．进气道内的气体经气门“菌状钝体”的导流作用．呈环状射流流出气门和气门座。

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气门间隔区有２股气流相互碰撞．中心区轴向速度

增加．因而在气缸中出现了周边区和中心区的轴向

流速高，而中间区轴向流速低的现象。

进气下止点时刻流线分布如图６所示。从图６

中可以清晰地观察到轴向大尺度涡流在进气下止

点时刻已形成。而在进气结束时观察缸内流场．发图４排气门关闭时刻两进气道流场分布现除了轴向涡流以外还存在纵向的涡（见图７箭头图５显示了不同曲轴转角下气道一气门一气缸方向）。在进气门关闭后的压缩过程中．由于自身为内的流场分布情况。从图中可以明显地看出切向进气粘性流．这些纵向涡在高速旋转的同时能量不断耗道和螺旋进气道内的气流之间存在着相互作用。散。对缸内最大的纵向涡进行跟踪观察．发现这一

纵涡在衰减的同时会将能量传递给周围流场．诱导

出一个反方向的纵涡，具体变化过程如图８所示。

（ｃ）进气Ｆ止点时刻

图５不同曲轴转角下气道一气门一缸内的流场分布

从流体动力学的角度考虑，两个气道内的压力彼此相互影响。在相同的进１：３压力下，鼹个气道同时进气，由于气道阻力不同，理论上每个气道的进、出Ｅｌ压降也不同：在实际工作中。气门出ＩＺＩ处的背压一致．但出Ｅｌ气体方向受气道几何形状影响．使得两气道的气流出口速度方向不一致。由于在缸盖上两进气门间隔区的气流旋向不一致．在两进气门间隔区相撞的气流产生轻微阻塞，造成进气流量的损失．但这种碰撞有利于形成较大的进气湍流．促进后面喷入的燃油雾化。依靠切向气道和螺旋气道．气门缸盖沿气缸周边处的强气流产生涡流运动．所以周边处的切向速度要比中心区大。周边区的轴向速度也比其他区域的轴向速度大。在２个进一５２～

图６进气下止点时刻流线分布

图７进气门关闭时刻流线

图８压缩过程流线截面’

图９为缸内气体的平均湍动能随曲轴转角的变化曲线。从图９中可以看出，在压缩过程中．由于活塞运动速度较高以及气体流人活塞凹坑过程中形成

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