发动机进气道CFD数值模拟

李 军，李林凤

(重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074)

发动机进气道CFD数值模拟

李 军，李林凤

(重庆交通大学 机电与车辆工程学院，重庆 400074)

应用CFD(computational fluid dynamics)对某型号发动机双进气道进行了数值模拟，计算得出气门在不同升程下的进气流量系数、涡流比及滚流比。通过将计算结果与试验结果进行对比，显示数据吻合良好，流量系数较高，并总结出了不同升程下气道流量系数的变化规律；同时，模拟结果表明气道-缸内具有良好的进气效果和明显的缸内滚流运动，进一步验证了CFD模拟的气道结构的合理性。

车辆工程；双进气道；CFD；流量系数；滚流

汽油机缸内气流运动对燃烧有很大的影响，并与整车燃油经济性、动力性及排放性能有直接关系[1]。作为进气系统重要组成部分，进气道的结构直接影响了进气量、气体的速度分布及湍流流动状况等，最终影响到汽油机的燃烧过程；因此对进气道合理的设计、优化显得尤为重要。陈有方等[2]、孙平等[3]、李明海等[4]和徐玉梁等[5]分别对螺旋进气道的结构进行了优化分析，改进了进气道的结构，但未对切向气道进行详细的流场分析；张超等[6]利用CFD软件对某进气道进行数值分析，得到模拟的流量系数和滚流比均与试验结果吻合较好。目前，国内对汽油机切向进气道的分析研究还相对较少。而采用切向进气道有助于改进进气涡流、提高滚流比；并且缸内滚流对汽油机影响较大，所以充分了解掌握缸内滚流的形成过程非常重要。

笔者以某型号汽油机为研究对象，对其进气道进行CFD数值模拟。笔者所选发动机进气道采用双切向气道模式，切向气道形状平直，进气前强烈收缩，利用进气气流对气缸中心的动量矩，产生绕气缸纵轴旋转的进气涡流。通过对所得模拟数据和气道的流动特性分析，验证CFD数值模拟气道结构的合理性并进行优化设计。

1 进气道稳态流动特性的评价

目前国内外所进行的稳流试验中，进气道流动特性评价方法有Ricardo法、AVL法、FEV法、SwRI法等[7]；笔者采用Ricardo评价法。在稳流试验中，Ricardo评价法假设气道中的气体流动为不可压缩且绝热；在气道试验或发动机实际工况时，气道内具有相同的气体流动特性；发动机容积效率为100%；缸内存在非弹性涡流区；在进气过程中，缸内外压差恒定；不考虑内流系统的摩擦影响；进气门打开到进气门关闭为进气过程区间。

1.1 流量系数

无量纲流量系数Cp一般用来评价和比较不同形状、尺寸的气道流动特性，也可用来评价不同气门升程下气道的阻力特性或流通能力。

流量系数Cp定义为气门座的实际空气流量与理论空气流量的比值，即：

(1)

式中：Q为流经气道的实际流量，m3/s；n为进气门数；A为气门座内截面面积，m2；Vqd表示理论进气速度，m/s。

(2)

式中：dv为气门座内径；i为进气门数量。

(3)

式中：ΔP为气道压差；ρ为压差测量点处气体密度。

1.2 涡流(滚流)比

涡流稳态研究一般在距缸头1.75倍处的缸径面上，以与气缸轴线平行线为中心轴的旋流定义为涡流。Ricardo无量纲涡流(滚流)强度NR定义为每个气门升程下气缸壁面涡流(滚流)切向线速度的2倍与气门口位置理论流速之比，即：

(4)

式中：ωR为涡流旋转角速度，rad/s；B为气缸直径，m。

2 进气道数值模拟

2.1 几何模型及网格

根据缸心距、气缸中心线、气缸底平面、进气道轴线和气道中心面得到气道几何模型。为避免出口边界处的流场对缸内流场造成影响，并为保证计算的收敛性和流场的稳定性，用长度为2.5倍缸径的圆柱体来代替气缸[8]；与此同时，为防止进气道进口处形成湍流，模型中在进气道入口处设置一个边长为100 mm的方形稳压箱。

笔者采用FAME网格生成技术对模型进行自动网格划分。网格模型包括稳压腔、进气道、气缸垫、气缸，并对进气道、气门座圈、气门、气门垫等部位进行不同程度的加密处理。最终得到气门升程从1～8 mm时，网格总数在80万～90万之间，其中最大单元尺寸为5 mm，最小为0.156 mm。图1(a)为进气道整体网格模型；图1(b)为8mm升程时对气门局部网格进行的细化，以保证计算精确度。

图1 进气道网格模型Fig.1 Grid model of intake ports

2.2 边界条件

1) 边界条件设定为固定壁面边界，绝热无滑移，固定壁面温度为297 K，同时在对边界层进行处理时采用湍流壁面函数[9]。

2) 采用稳流试验条件，设定入口边界气流总压为100 kPa，出口静压的边界条件定义为98 kPa，进出口压差设定为2 kPa，计算时的压差值与试验保持一致。

2.3 数学模型与数值方法

初始条件中设定参考压力为100 kPa，参考温度为297 K。为加快计算的收敛速度，初始模式选择势流模式[10]。求解方程包括质量守恒方程、动量守恒方程以及标准κ-ε双方程模型(湍流模型)[11-12]。收敛精度设定为10-4，当各个方程的迭代残差均小于收敛精度时，判定计算收敛。

3 模拟结果与分析

根据流量系数计算值与试验值对比(图2)可以得出：CFD计算得到的流量系数与试验得到的数值均随气门升程的增加而增加，数据变化趋势相同，且吻合良好。当小气门升程时，气流流通截面较小，壁面函数模型在高雷诺数下精度降低，此时计算结果与试验结果吻合稍差；当大气门升程时误差控制在5%以内。造成该误差的原因主要有两个：① 气门座处的流场梯度在气门升程较小时，局部会变大，湍流强度也同时增大，这使得计算值在相同网格数量时的误差变大；② 当流通截面较小时，流量和流量计数都较小，数值不容易读准确。这两种原因导致气门升程较小和较大时计算值与试验值存在的误差，属于正常现象。因此认为该计算模型正确，模拟结果可以作为分析气道性能的依据。

图2 流量系数计算值与试验值对比Fig.2 Comparison of calculation values of flow coefficient with experimental values

根据所测数据绘制成不同气门升程时涡流比与滚流比，如图3。通过与试验值对比，涡流比和滚流比均与试验值吻合较好，并且计算得出平均涡流数趋近于0，符合气道性能要求。

图3 不同气门升程时涡流比与滚流比Fig.3 Swirl ratios and tumble ratios under different valve lifts

由图3可以看出：在不同气门升程下计算的得到的涡流比值都很小，并且气流速度有正反两个方向上的变化，这说明气流速度方向不稳定，气缸内没有形成大范围的涡流；缸内滚流比随气门升程的增加而增加，当气门开度达到最大时，缸内已经形成较大尺度的滚流。

滚流促进缸内形成良好的混合气，以提高缸内的燃烧速率，抑制了爆震的出现，减少循环时出现的变动，有效提高了汽油机的燃烧能力。因此汽油机缸内形成大尺度滚流对提高和改善汽油机性能有很大帮助。根据气门中心X向截面速度矢量图(图4)，可以看出在1～2 mm气门升程时，气缸内气流流动没有明显规律；在3～6 mm气门升程时，滚流正逐步形成，已开始具有一定滚流强度；在7～8 mm气门升程时，缸内形成了明显滚流运动。在进气过程中首先会出现双涡形式滚流，然后逐渐演变为单涡旋滚流运动。进气行程时，缸内滚流迅速增强，形成两个明显的滚动漩涡，随后滚流变化较为缓慢；压缩行程时，活塞上移过程中形成一个明显的大尺度滚流。

图4 不同升程时缸内滚流运动情况Fig.4 Tumble flow movement in cylinder under different lifts

因此，在实际气道开发中，要充分利用CFD数值模拟技术的优势，减少设计过程的时间消耗，快速准确地掌握缸内气体流动状况。在气道设计过程中，要充分考虑缸内涡流、滚流对气道性能的影响，增大缸内滚流强度，以提高发动机性能。通过对不同气门升程时气道-气缸内部流场进行分析，进气最大速度均发生在气道沿程最小截面(气道喉口附近)处，最小截面若设计不合理将直接影响气道的进气道，并且气流在气门底部形成倒流，一定程度上影响了缸内气体充分混合。所以，在气道设计开发中，建议充分考虑最小截面和气门座对气道-气缸流场的影响。

4 结 论

1) 通过对进气道数值模拟计算，得出了不同气门升程下进气道流量系数的变化规律。其稳态模拟结果与试验结果吻合度良好，并且在大气门升程时流量系数误差小于5%。

2) 各气门升程下的涡流比较小，涡流转向不稳定，说明缸内没有形成大尺度涡流。缸内滚流比随气门升程的增加而增加。在气道设计过程中，要充分考虑缸内涡流、滚流对气道性能的影响，增大缸内滚流强度，以提高发动机性能。

3) 在气道开发过程中，要充分考虑气道最小截面和气门座对气道-气缸内流场的影响，合理设计最小截面和气门座。

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(责任编辑：刘 韬)

Numerical Simulation of Intake Ports of Engine Based on CFD

LI Jun，LI Linfeng

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P.R.China)

CFD (Computational Fluid Dynamics) was applied to numerical simulation of double intake ports of a certain type of engine，and the flow coefficient，swirl ratio and tumble ratio of vent valve under different lifts were obtained.Through comparing the calculation results with the test results，the data show good agreement and higher flow coefficient，and the variation rule of flow coefficient of airway under different lifts is summarized.Meanwhile，simulation results show that：the airway-in-cylinder has a good intake effect and obvious in-cylinder tumble flow，which further verifies the rationality of CFD simulation of the ports structure.

vehicle engineering；double intake ports；CFD；flow coefficient；tumble flow

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.08.20

2016-04-05；

2016-06-21

国家自然科学基金项目(51305472)；重庆市自然科学基金项目(CSTC2013yykfB0184)；重庆市城市轨道交通车辆系统集成与控制重点实验室项目(csct2015yfpt-zdsys30001)

李 军(1964—)，男，重庆人，教授，博士，主要从事汽车发动机排放与控制及新能源汽车方面的研究。E-mail：cqleejun@sina.com。

李林凤(1992—)，女，河北保定人，硕士研究生，主要从事汽车发动机排气方面的研究。E-mail：466234671@qq.com。

U464.12+2

A

1674-0696(2017)08-115-04