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柴油机螺旋进气道三维流动的数值模拟研究
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  • 英文题名:Numerical Simulation of Three-dimensional Flow in Diesel Helical Intake Port
  • 作者:王瑜芳
  • 论文级别:硕士
  • 学科专业名称:动力机械及工程
  • 学位年度:2004
  • 导师:袁兆成
  • 学科代码:080703
  • 学位授予单位:吉林大学
  • 论文提交日期:2004-05-01
摘要
进、排气道是汽车发动机的关键部件之一。直喷式柴油机的螺旋进气道对柴油机的混合气形成与燃烧,充量更换等方面均起到重要作用,而螺旋进气道又是所有发动机气道中外形最为复杂,设计要求最高的一类,其流动特性对柴油机性能的影响十分敏感,其优劣影响到汽车的经济性、动力性和有害物排放的水平。近年来对发动机性能更高的要求也促使气道的设计质量必须有进一步的提高。
    长期以来进气道的设计主要是依靠气道稳流试验测量其涡流比和流量系数来评定气道的性能。然而,这些测量结果是流动的综合量,只能表征流动的宏观特性,对进一步改进气道性能不可能提供更多信息,气道设计主要依靠设计者的经验。运用CFD 方法对气道内气体流动进行模拟计算, 可以实现较高精度的定量分析,获得气道内压力、流速等参数的分布规律, 并建立气道、气门和气缸的结构参数及其相对位置对流动特性的影响及与其特性(包括流量系数、涡流比等) 的关系, 为设计与改进提供依据。
    气道内气体流动的特点是气体流速较高, 一般将气体作为可压缩流体来处理, 同时, 气道的外形十分复杂, 对计算网格划分要求较高。
    本文应用FTRE软件,采用有限容积法,对YC6108ZQ柴油机的螺旋进气道进行了数值模拟研究。为进一步设计和改进气道探索了一套方法。
    首先建立螺旋进气道的几何模型。由于螺旋进气道的螺旋段部分形状极为不规则,为保证计算的准确性和提高精度,本文采用建模的逆向工程做法,即用三维坐标扫描仪对进气道的砂芯模型扫描,得到砂芯模型的点云图,再在三维造型软件CATIA中进行逆向处理,最后得到螺旋气道的几何模型图。这样得到的几何模型和原进气道在几何尺寸上相差无几,误差在0.2mm之内,为后续分网
    
    
    格和计算打下了良好的基础。
    计算网格的划分是流动数值模拟中涉及到的一个重要而又困难的问题。实际发动机中的流动区域一般具有不规则的复杂外形,例如发动机气道、燃烧室以及冷却水腔等,希望在网格划分中尽可能的保持计算区域与实际流动区域的一致,以保证计算精度。计算网格的疏密和计算网格的方便生成也是计算流体力学在实际设计工作中得到广泛应用的一个关键。本文在网格划分时,本着以上这些原则,并力求流体的流向在网格的法向上,最大网格边长控制在0.015m,最后得到整个进气道的网格数为56万左右,其中六面体网格占了绝大多数。图1就是气道的网格图。
    图1 气道网格图
    计算区域不仅包括了气道本身,而且包括了气缸部分,这主要考虑到两者之间存在不可分割的联系。例如气道相对于气缸的安装位置对气道特性就有很大的影响。同时这样也便于给出较为符合实际情况的边界条件。边界条件的确定原则主要是考虑符合实际稳流试验中的情况,将气道内的气体视为稳态的三维可压缩气体,主要给出了流动计算区域进口与出口的压力,对于进出口边界上的流速的大小与方向均不作任何限制。
    
    1. 主要的计算工作包括:
    气门升程分别为11.5mm、9.5mm、7.5mm、5.5mm、3.5mm、2mm时,进出口间压力差为5.3kPa(550mmH2O),进口温度为293K的工况;
    升程为11.5mm时,进出口压力差为5.3kPa(550mmH2O),进口温度为293K,气道相对于气缸中心线逆时针和顺时针旋转45o的工况;
    升程为11.5mm时,进出口压力差为5.3kPa(550mmH2O),进口温度为293K,气门倒角为45o的工况。
    2. 试验工作包括:
    1) 试验在传统的稳流实验台上进行;
    2) 试验采用等压差法;
    3) 气道进出口压差为5.3kPa,工况取气门升程分别为11.5 mm、9.5mm、7.5mm、5.5mm、3.5mm、2mm六种情况;
    4) 测量气道阻力和叶片转速,以间接计算涡流比。
    通过以上的计算,可以得到以下结果:
     通过不同气门升程下的流动模拟计算,可以获得气道内部详细的流场
    分布,比如压力、密度、速度、温度、湍动能、流体粘性等参数的分布。掌握这些参数的分布,为气道的设计和改进提供理论依据。
     通过气道稳流试验,对比试验和计算结果,两者基本相符,验证了模
    拟计算的可靠性。图2是试验和计算结果的对比图。
    
    
    
    
    
    图2 试验和计算结果的质量流率对比
    
     通过计算气门座圈倒角为30o和45o两种情况,可知气门座圈倒角度数
    较大的气体质量流率较大,气体流量较大。
     通过计算气道绕气门中心线逆时针或顺时针旋转45o,即气道安装位置
    变化的情况,可知旋转后气流的质量流率变小了,但湍动能逆时针旋转时变大,顺时针时变小;速度变化同湍动能的变化一致。
    在本文研究的基础上,可以建立进气道、气缸、活塞以及排气道的联合模型,并考虑活塞运动,在四个不同的冲程下对气道内流场和缸内流场的影响;探讨缸内燃烧、喷雾过程的模拟。这些应用都是具有重大意义的。
Intake and exhaust port are the key parts for the mobile engine .The helical intake port has great influence on diesel engine for air-fuel mixture formation , combustion and charge exchange .The contour of helical intake port is the most complicated .Therefore, the strict design requirements are needed .The flow characteristic of helical intake port has sensitively influence on diesel engine ,including economy performance ,dynamical performance and the level of injurant emission .Lately ,more and more requirememts for engine make the quality of the port to be improved.
    The design of port is depended on steady flow test to obtain swirl ratio and flow coefficient and use them to evaluate the performance of intake port. But these results can only token the macroscopical performance of the flow, it can’t provide more information for the improvement of the port. The design depend on the designer’s experiences. Using CFD to simulate the flow in helical port , it can achieve quantitative analysis and obtain the rule of pressure and velocity, obtain the influence of the structural parameter of port、valve and cylinder for the port design.
    The gas of the flow in port has high velocity. It can be considered compressible. The contour of the port is very complicated, it require more accurate computational grid.
    A numerical research has been adopted on the helical intake port for YC6108ZQ diesel engine with a CFD simulation tool FIRE who using finite volume method. The method can provide the design idea for the
    
    
    construction and improvement.
    At first the geometry modal of the helical modal is built. In order to ensure the precision of the contour of the helical port ,it can scan the sandy modal of the intake port using the three-dimensional coordinate scanner to obtain the figure of the sandy modal, it is called cloudy points. After amending using CATIA the geometry modal of the helical port has been obtained. The geometry modal is similar to practical intake port. The error is only within 0.2mm,it make for calculation.
    The important and difficulty question is the mesh of the computational modal. In practice the flow area in the engine has complicated outline ,it should ensure the consistent of computational area and practical area for the precision. The density and create of the computational modal are the key for the application of computational fluid dynamics in the practical work. According to these rules, the author mesh the computational modal. The max cell size is 0.015m,the number of whole intake port is about 560,000.The hex cells are most.
    Figure 1 mesh of intake port
    
    The computational area include not only intake port but also cylinder, as they have tight relation. The boundary condition should accord with the situation of the practical steady flow test. It considered the gas in the intake port as three-dimensional compressible gas. It provide the flow computational area with the pressure on inlet and outlet, but can’t limit the size and the direction of the velocity on inlet and outlet boundary.
    The main computational work include:
    valve lift: 11.5mm、9.5mm、7.5mm、5.5mm、3.5mm、2mm
    pressure difference between inlet and outlet: 5.3kPa(550mmH2O)
    inlet temperature:293K
    valve lift: 11.5mm
     pressure difference between inlet and outlet: 5.3kPa(550mmH2O)
     inlet temperature:293K
     angle between two ports:45o(anticlockwise or clockwise)
    valve lift: 11.5mm
     pressure difference between inlet and outlet: 5.3kPa(550mm)
     inlet temperature:293K
     valve face angle: 45o
    The main testing work include:
    1) steady flow test
    2) constant pressure
    pressure difference between inlet and outlet:5.3kPa;
    valve lift: 11.5mm、9.5mm、7.5mm、5.5mm、3.5mm、2mm
    The conclusion are:
    
    It can get more detailed information about helical intake port, such as distributing of pressure、density、velocity、temperature、turbulence kinetic energy、viscosity by calculation at different valve lift. These rules can be used to design practical engine.
    Steady flow test validate the calculatio
引文
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