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进气道稳流试验装置内三维流动特性的数值模拟

来源：化拓教育网

第3卷第3期

2004年9月

热科学与技术

JournalofThermalScienceandTechnology

.3No.3VolSep.2004

文章编号:167128097(2004)0320234204

进气道稳流试验装置内三维流动特性的数值模拟

陈　石1,　邵　涌2,　白慧星1

(1.大连理工大学动力工程系,辽宁大连　116024;2.大连市甘井子信用联社信息科,辽宁大连　116024)

摘要:使用FLUENT商业软件,采用RNGk2Ε湍流模型,对稳定流动实验条件下,不同进气道角度时切向进

气道2气门2气缸内的流场,在两种气门升程下进行了三维数值模拟;分析了气道2气门2气缸内气体的稳态流动特性;总结了不同气道角度、不同气门升程时气道和缸内气体流动的变化规律。随着气门升程的增加,气道角度对缸内涡流的影响增大,并且涡流和滚流相互抑制。

关键词:柴油机;进气道;稳流试验;计算机模拟

中图分类号:U4.172文献标识码:A

0　引　言

在柴油机中,进气过程进入气缸的空气量和气体的速度分布及其涡流和湍流状况等明显影响着燃烧过程,从而影响其经济性、动力性和排放指标。所以发动机进气道是发动机性能设计的关键之一。

内燃机进气过程的模拟起步较晚。1984年Gosman和Watkins等人对发动机中空气流动进行了三维模拟计算,采用了k2Ε双方程模型,研究了燃烧室形状对空气流动的影响,并将计算结果与试验进行了比较[1]。1998年,Clemson大学和Caterpillar公司对柴油机进气系统进行了稳态模拟,为了便于生成计算网格,他们对原始几何模型做了一些修改。国内在数值计算模拟内燃机进气过程气体流动方面的研究,主要是从20世纪80年代中后期开始的。1998年,华中理工大学的杨玟等[2]用Simple方法,在稳流试验台上对一螺旋进气道的流动状况进行了三维模拟计算。然而,目前尚未见到将模拟计算结果直接应用于产品设计的报道[3]。

本文对2100四气门柴油机气缸套、气缸盖和切向进气道所组成的结构,进行稳态流动特性的数值模拟,分析不同气道偏转角度、不同气门升程时气流的变化规律。

收稿日期:2003211205;　修回日期:2004206221.作者简介:陈　石(19612),男,副教授,博士.

1　计算模型

本文使用FLUENT商业软件进行计算,采用的是近年来比较流行的RNGk2Ε湍流模型。以2100柴油机切向进气道和配套的缸盖和气缸套

组成的结构为对象,进行稳定流动的模拟计算。缸径102mm,气缸长度120mm。进气道长度约为100mm。气门直径42mm,气道中心与气缸中心的偏心距为28.50mm。以气缸中心线为y坐标轴,以缸盖表面气缸中心和气阀中心的连线为x坐标轴,如图1所示。切向进气道与y-z平面的偏转角分别取为10度和5度;与x-z平面的倾斜角为28.3度。

图1　计算网格

Fig11　Configurationofmesh

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2　结果分析

本文计算时,按发动机转速为2000rpm,确定稳定流动的模拟计算条件。气阀升程分别固定为5mm和10mm。2.1　气道偏转角为10°

mm处横截面上依旧保持着两个逆向涡流。通常

双涡流一直要保持到1.5倍缸径处才可以汇合成一个完整的单向涡流。

由图2纵剖面的速度矢量图可以看出来,气缸纵剖面的左上角有一个很明显的垂直方向上的滚流。但其尺度较小,范围主要集中到左上角。整个气缸内的垂直方向上的滚流并不明显。究其原因,不外乎是气门升程较小时,气流受切向进气道的影响很小,主要受进气门的影响,在进气门的引导下,形成了左上角这个死角处的回旋的涡流,我们称其为小尺度的垂直滚流。

由图3,气阀升程为10mm时缸盖下20mm处的横剖面上的速度矢量图可以看出来,随着气

由图2可以看出,缸盖下20mm处水平面上有两个较大的涡流,两涡逆向,比较对称。这一现象说明了在气阀升程较小时,气流受气道影响较小,主要受气门的影响,两股反向的气流在气缸壁的引导下形成反向涡流,在横剖面上形成双涡流,这种情况沿模拟气缸套一直保持到一倍缸径处尚未完全汇合成完整的单向涡流。图2中Y=102

图2　气道与y-z平面夹角为10°,h=5mm时横剖面纵剖面速度矢量图

Fig12　Velocityvectorplotat5mmvalveliftwith10degreebetweenintakeandy-zplane

图3　气道与y-z平面夹角为10°,h=10mm时横剖面纵剖面速度矢量图

Fig13　Velocityvectorplotat10mmvalveliftwith10degreebetweenintakeandy-zplane

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阀升程的增大,原来的横剖面上的双涡流已经消失,在横剖面远离气阀的一端出现两到三个小涡流,分析其原因,因为气阀升程加大后,气门来流的速度大大增加,所以从气门处出来的径向气流速度矢量抑制了沿着气缸壁的气流,因此,我们看到了远离气门一端横剖面上出现了多个小涡流。这就是径向气流和沿着气缸壁来流相互挤压的结果。沿着缸壁的来流受到径向气流的挤压,只能就地形成较小涡流来释放能量。分析纵剖面速度矢量图,可以看出来气缸内形成了垂直方向上的大尺度的垂直滚流。垂直方向上的滚流以逆时针方向旋转,回到靠近缸盖处的水平剖面后,与气门出来的径向气流汇合,进一步抑制了横剖面上的水平涡流的生成。因此,在滚流、尤其是气门径向来流的综合作用下,沿气缸壁的来流被阻断、挤压,形成了几个较小的涡流。2.2　气道偏转角为5°

由图4可以看出,在气阀升程为5mm时,缸盖下20mm处横剖面上的速度矢量形成两个逆向涡流,其范围覆盖整个横剖面。究其原因,当气阀升程较小时,切向进气道的气流受到切向进气道的影响较小,主要受气门的影响。两股反向的气流在气缸壁的引导下形成反向涡流,在横剖面上形成双涡流。这种情况沿模拟气缸套一直保持到一倍缸径处横剖面上,还不能完全汇合成完整的单向涡流。如图4,可以看到在Y=102mm处的横剖面上,依旧保持着两个逆向涡流。根据笔者的经验,双涡流一直要保持到1.5倍缸径处才可以汇合成一个完整的单向涡流。由图4还可以看出,在气门升程较小时,切向进气道的缸内流场和进气道的角度以及进气道的形状没有太大的关系,主要取决于进气门的大小和形状、以及气门中心和气缸中心的偏心距。

图4　气道与y-z平面夹角为5°,h=5mm时横剖面纵剖面速度矢量图

Fig14　Velocityvectorplotof5mmvaluveliftwith5degreebetweenintakeandy-zplane

　　由图5可以看出,气阀升程为10mm时,缸

盖下20mm处横剖面上的气体速度流线在Z轴负方向处平面上有两个小的涡流,而在Z轴正方向处的平面上没有涡流。这一规律和图3明显有差别。究其原因,可知在气阀升程较大时,进气道角度对于缸内流场的影响要大于进气门的影响。因为切向进气道与y-z平面夹角由原来的偏X

轴正方向10度变为5度,这使得横剖面上沿着气缸壁的气门来流在Z轴正方向处变大了。所以就会出现图5横剖面上速度矢量的分布。Z轴正方向处气门来流沿着气缸壁以较大的速度和动量挤压Z轴正方向处较弱的气门来流。从而迫使负向来流就地形成较小的涡流。纵剖面上的垂直方向的滚流比较稳定,没有太大的不同。

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图5　气道与y-z平面夹角为5°,h=10mm时横剖面纵剖面速度矢量图

Fig15　Velocityvectorplotof10mmvaluveliftwith5degreebetweenintakeandy-zplane

3　结　论

气门升程较小时,气道角度对于缸内流场的影响很小,缸内涡流主要取决于气门的形状和大

小。气门升程较大时,气道角度对于缸内流场的影响开始变大。根据模拟可知,涡流和滚流相互抑制,因此可以利用气道形状和角度的变化实现想要的涡流和滚流的最佳比例。

参考文献:

[1]THIENG.四冲程柴油机气道的研究发展工作[J].

内燃机译丛,1986(2):31239.

[2]杨

玟,吴承雄.螺旋进气道2气门2气缸内空气运动

的3维数值模拟[J].内燃机学报,1999,17(1):124.

[3]蒋德明.内燃机燃烧与排放学[M].西安:西安交通

大学出版社,2001:1210.

Numericalsimulationofthree-dimensionalflowcharacteristics

throughinletportonsteadyflowrig

CHEN　Shi,　SHAO　Yong,　BAI　Hui2xing

Abstract:Thethree2dimensionalnumericalsimulationhasbeenmadeonthesteadyflowfieldinthetangentialinletport2valve2cylinderwithRNGk2ΕturbulentmodelbyusingcommercialcodeFLUENTundertheconditionsoftwovalvelifts.

Thecharacteristicsofsteadyflowsintheinlet

port2valve2cylinderhavebeenstudied.Andsomeconclusionshavebeendeducedontheairflowintheinletportandcylinderwithdifferenttangentialanglesandvalvelifts.Keywords:dieselengine;inletport;steadyflowtest;computersimulation

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