发动机瞬态进气流动特性三维数值模拟研究.pdf

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编号:20181111060111469287    类型:共享资源    大小:280.43KB    格式:PDF    上传时间:2019-02-16
  
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资源描述:
第36卷第5期 2007年10月 小型内燃机与摩托车 SMAI工INTERNAL COMBUSTlON ENGINE AND MOTORCYCLE V01.36 No.5 Oct.2007 发动机瞬态进气流动特性三维数值模拟研究 周颖宋如刚张宝欢史春涛 (天津内燃机研究所天津300072) 摘要:应用计算流体动力学软件FLUENT中动网格生成技术,针对一款量产的125mL排量摩托车用 发动机的实际几何模型及进气门升程规律,进行了其进气过程的三维瞬态数值模拟,得到的大量气道和 缸内流动特性信息,为发动机的设计和改型提供了重要的理论依据。 关键词:瞬态进气过程数值模拟流动特性 中图分类号:TK412.44 文献标识码:A 文章编号:1671—0630(2007)05—0005—04 3 D Transient Numerical Simulation Study of Intake Flow Characteristics of ICE Zhou Ying,Song Rugang,Zhang Baohuan,Shi Chuntao Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute,Tianjin University(Tianjin 300072) Abstract:Using the mo“ng and remeshing model in FLUENT,3D transient numerical simulation is studied for the intake flow process in a four—stroke mot0”yck eT画ne with the displacement of 125mL by using the exact geometry and valve lift regulation of the engine.The calculated results reveal the transient flow charae- teristics of the inmke process,which sive important information for the optimal design of engine. Keywords:Transient,Intake process,NumericM simulation,Flow Characteristics 引言 对发动机进气过程中气道一气缸内流场的分析, 能为工程师提供重要的设计信息。通过模拟,可以实 现在气道和燃烧室改型,气门定时以及其它参数调整 后,充气效率和涡流、滚流特性的预测。如我们所知, 提高充气效率是提高发动机动力性的一个重要措施, 缸内气流运动直接影响到发动机的燃烧效率与排放指 标。目前国内对进气充量的三维数值模拟研究多限于 稳态模拟,不考虑活塞运动对进气过程的影响,而活塞 的下行引起的缸内压力波动势必对进气过程产生不可 忽视的影响。本文针对一款量产125mL摩托车用发 动机的实际几何模型及进气门升程规律,应用商用计 算流体动力学软件FLUENT对其进气过程进行了三维 瞬态数值模拟,并对模拟结果进行了分析。 1瞬态模拟原理 1.1计算流体动力学(CFD)求解流程 流程框图见图1。 1.2瞬态模拟的技术关键 生成网格质量的好坏对于CFD模拟工作是至关 重要的,对于瞬态模拟更是如此。如果网格质量低,计 算求解过程中伴随着网格的动态变形,可能出现负体 积,导致计算无法进行。所以网格的划分往往占据了 整个模拟工作一半以上的工作量。选择相应的动态网 格生成方法,设置合理的动态参数,也是瞬态模拟的技 术难点。选择合适的物理模型、设置合理的控制参数 是保证计算收敛并得到合理解的必要条件。 作者简介:周颖(1977一),女,硕士,工程师,主要从事发动机工作过程的数值模拟研究工作。 万方数据 6 小型内燃机与摩托车 第36卷 确定流动控制方程及韧、边值条件 流动区域划分、节点确定 讳④讳⑩ 一随辞划 讳④鼍堕诬毒吁] l匦妙 l静④ 』一1\雌敛精魔p,一 YL—匪盗 静⑩ L——叫数值解分析l‘睾争‘、量处{呈夕 图1 CFD求解流程图 1.3网格生成策略 作者用四面体网格生成初始网格,活塞和气门的 初始位置见图2。其中:a是通过气缸中心线和气门中 心线的剖面网格图.b是整体网格图。 图2计算初始网格 1.4发动机基本参数_及计算边界条件 模拟的介质是可压缩空气。选用标准K—e湍流 模型,近壁区内的流动采用壁面函数法。 计算周期0—200。CA。 表1发动机模型参数 缸径/Ⅲ 56.5 冲程/mm 49 连杆长度/mm 103.5 排量/mL 125 发动机转速/(r/mln) 3000 裹2计算边界条件 缸内初始压力/Pa 1.1491 x105 进口初始压力/Pa 0.85 x105 活塞温度/K 400 进气温度/K 300 初始湍动能K 1 2计算结果及分析 图3是模拟进气过程得到的不同曲轴转角时刻对 应的速度矢量图(左右两组分别是经过气缸中心线, 互相垂直的两个截面)。可以看到,在60℃A ATDC, 气流流经进气门时,气门座和气门盘处产生明显的剪 切层,由这些剪切层产生了进气射流,射流流动在燃烧 室壁面的导向下,在气缸内引发几个总体环流,在两个 截面图上分别位于气门下方两侧。90℃A ATDC时, 由于活塞的下行,在气缸壁上产生流动边界层,环涡中 心速度与环涡外缘速度差加大。 图4是气缸横断面速度矢量分布图,可以看到缸 内横断面流场主要表现为对称分布、旋向相反的双涡 结构。120℃A ATDC后.由于气门开度减小,Y=0截 面(通过气门中心线)流场右侧环涡减弱,左侧环涡得 到充分发展,但并未占据整个缸内流场。整个进气过 程中x=0截面(与Y=O截面垂直)上的双涡结构也经 历了由产生到衰减的过程。模拟出的双涡结构与文献 [1]中引用的实验图片吻合。 图5是压力场分布图。20℃A ATDC时,气门开 度较小,进气阻力来自气门。随着气门开度的增大, 50qcA ATDC时,空气已经在正压差作用下向气缸进 气。9“/.5℃A ATDC气门处于较大开度时,进气在气 门盘面圆弧过渡处相对周边产生高压;气门导杆靠近 气门搭子处也形成局部进气阻力。此时气道两个拐弯 处(分别位于气门两侧)由于速度较周围高,出现低压 区。缸内压力在150℃A ATDC时已达到均匀。 图6中.由于初始缸内压力高于进口处压力,进口 处在计算开始时出现回流,出现的第二次回流是由进 口向缸内传递的压力波所致,在图7的相应位置(15。 一20℃A左右)可以看到压力下降速率变缓。图6中。 气门最大升程附近(80。一100℃A)质量流率改变了下 降趋势,微有上扬。之后随着气门回座,质量流率逐渐 减小,直至为零。图7缸内压力模拟结果基本走势与 文献[2]中缸压曲线一致。图8是缸内空气充人量随 曲轴转角的变化曲线,模拟出该机型的充气效率为 0.75。 万方数据 第5期 周颖等:发动机瞬态进气流动特性三维数值模拟研究 7 图3经过气缸中心线互相垂直的两个载面的速度矢量图 图4 90℃A ATDC气缸横断面速度场矢量分布图 万方数据 8 小型内燃机与摩托车 第36卷 言备 岂 旃 堰 删 恒 图5压力场分布图 s 4结束语 5 g 本文应用计算流体动力学软件FLUENT中的动网 ,面 格生成技术,模拟发动机的进气过程,获得了进气道及 2曼 缸内流场分布的大量信息,有助于了解发动机进气过 :1 程的复杂流动特性,为发动机的改型和性能优化提供 了理论依据。 曲轴转角,℃A 图6气道进口处质量流量率和对应的气门升程规律 ! 只 出 翟 崩 图7缸内上止点附近压力模拟结果 曲轴转角,℃^ 图8气缸内空气质量充量 参考文献 I蒋德明等高等车用内燃机原理[M].西安:西安交通大 学出版社.2006 2 W拼Bauer el a1.Flow Characlerislxcs in Intake Port 0f Spark Ignition Engne lnvestlgated by CFD and Trmasient Gas Tern- perature Measurement[J].SAE 961997 3 Wang et a1.Three—dimensional tTansient numerical目I¨l且- tlon for gas exchange process in A four—stroke motorcycle englne[J]..found ofZhejiang Unive r】slty SCIENCE,2005.6A (10):1137—1145 4罗马吉等.发动机进气流动三维瞬态数值模拟研究[J]. 空气动力学学报,2005 Vol 23,No,1:74—78 5 Tang—Wei Kuo,Multidimensional Port—and—C曲nder Gas Flow,Fuel spray,and Combtmtion Calculations for at Port— Fuel—Injection E.gioe[A].SAE【c]920515 6 F.Zhao el a1.Automotive spark—i鲥led direct—injection gasoline e硒n*s[J].Progress in Energy and Combustion Sei. ence.1999.25:437—562 (收稿Et期:2006—09—13) 程率 I壹 升流~ f1孔 门量~ = 气质~ \一蚰 ~R //气r一7^/j汐一潞榭嘲融 万方数据
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