柴油机螺旋进气道三维数值模拟.doc

柴油机螺旋进气道三维数值模拟 3D Simulation for Helical Intake Port of Diesel Engine 罗马吉，李忠照，文醉 Luo Maji，Li Zhongzhao，Wen Zui （武汉理工大学汽车工程学院） （School of Automobile Engineering, Wuhan University of Technology） 摘要：运用CFD 软件STAR-CD对某柴油机螺旋进气道进行了三维数值模拟；模拟计算的涡流比及流量系数与实验结果具有较好的一致性。通过模拟计算可以比较准确地得到直观的进气道和缸内流场。 关键词：柴油机；CFD；螺旋进气道；Star-CD Abstract: The three-dimensional flow field in a diesel engine helical intake port was numerically simulated using STAR-CD, and the 3D flow field was obtained. The swirl ratio and flow coefficient obtained from the simulation is agreed well with the tested results from the steady flow test rig. The flow fields in the intake port and cylinder can be obtained accurately by simulation with Star-CD. Key words: diesel engine; CFD; helical intake port; Star-CD 1 引言 螺旋进气道通常是由不规则曲面构成,形状非常复杂,是进气道设计的难点。传统的螺旋进气道设计采用经验设计和反复试验相结合,气道形状须经多次修正。利用CFD方法分析进气道内气体流动，可以为柴油机螺旋进气道改进设计提供依据。本文针对某非道路用柴油机的螺旋进气道进行了稳流试验和CFD 数值模拟计算,得到了气道的相关参数和气道内部的流场分布情况。 2 稳流试验 进气道性能试验通常在稳流试验装置上进行。进气道稳流试验装置如图1所示。气道稳流试验在常规情况下多采用气道定压差的方法。试验中，选用直径为100mm的气缸套。叶片安放在距缸盖底面1.75倍缸径处。试验数据由计算机来采集。 图1 进气道稳流试验装置示意图 1.气门升程传感器 2.气门 3.气缸盖 4.模拟气缸 5.叶片 6.稳压箱 7.压力传感器 8.温度传感器 9.数据采集系统 10. 计算机 11.稳压箱 12.转速传感器 13.流量计阀门 14.流量计 15.旁通阀 16.流量调节阀 17.泵 3 CFD三维数值模拟 3.1 几何模型的建立和网格划分 首先采用激光测量仪扫描获得气道点云，通过UG软件得到螺旋进气道的几何模型，并根据相关零件设计尺寸，运用UG建立气门、气门导管和气门座的几何模型。然后根据实际的装配关系，建立进气道-气门-气缸的整体三维几何模型（图2）。模拟气缸的长度与试验台上模拟气缸的长度取值相同，采用了AVL推荐值，为原气缸直径的2.5 倍。 网格划分的质量对流动数值仿真有决定性的影响，它不仅影响计算的时间和收敛的速度，而且还影响计算精度。STAR-CD的pro-am模块可以生成以六面体为主的非结构化网格。模拟计算最终网格数约为30万。图3给出的是最大升程（11.64mm）下的网格。 图2 计算域几何模型 图3 计算网格 3.2 边界条件 固定壁面边界绝热无滑移, 固定壁温为301K；采用湍流壁面函数对边界层进行处理。进出口边界采用稳流试验条件，给定压差3500Pa (进口为大气环境压力,出口为气道出口压力)。 3.3 数学模型和数值求解 气体流经气道和气缸的过程应属于粘性流体的管内稳定流动过程。因此描述其流动状态的方程为时均化的N-S方程、连续方程和状态方程, 湍流模型选用RNG k-ε模型。采用SIMPLE算法，残差设为5e-5。在硬件条件为Intel 1.86GHz CPU、2G内存的计算机上进行计算，在各个升程迭代大约1000次收敛，用时大约3个小时。 3.4 计算结果分析 图4为气道压力分布图。从图中可以得出以下结论：（1）随着气门升程的逐渐增加，进气道内的平均压力逐渐变小。这主要是因为随着气门升程的变大，喉口位置进气流通截面积变大，进气越来越容易，进气量也越来越大，气体得以快速地进入