基于AVL FIRE的柴油机试验台架排气系统内部流场的数值分析

李春红，韦海燕

基于AVL FIRE的柴油机试验台架排气系统内部流场的数值分析

李春红，韦海燕

（广西大学机械工程学院，广西南宁，530004）

针对小型柴油机试验台架排气管接头拆装麻烦、流通特性不好、影响测量准确度等的问题，提出采用滑板式排气管接头代替原装的排气管接头，建立了GD190柴油机试验台架排气系统的计算流体动力学（CFD）模型，应用AVL FIRE软件进行仿真分析和对比试验，数值模拟结果表明，滑板式排气管接头具有良好的流通特性和较大排气的质量流量，但流场中存在气体流动不顺畅，也有明显的涡流存在，对其结构尺寸进一步优化，保证试验台架测试的准确度。

AVL FIRE；排气系统；流场；数值模拟

通过发动机台架试验可以检查出厂产品是否达到设计所要求的动力性能、经济性能以及可靠性指标[1]。随着发动机行业的发展，当前几乎所有的发动机生产厂家都同时生产多种机型，而每一台发动机出厂前都要进行台架试验，因此小型发动机厂台架试验室都具有多个试验台架，而且对试验台架的适用性要求越来越高，同时还需保证试验的准确度和精度，不影响发动机的性能。

GD190柴油机是小功率农用柴油机，在进行台架试验时，存在排气管接头的拆装比较麻烦、流通特性不好等问题[2]。为了保证试验的准确度和精度，提高试验台架使用的灵活性，对企业的试验台架进行了优化设计。本文提出了一种滑板式的排气管接头，对试验台架排气系统内部流场进行三维仿真分析，探讨排气管接头的结构对排气系统流通特性的影响，并与原装的排气管接头进行试验对比，解决试验台架排气管接头结构不合理，影响发动机性能的问题。

1 原装台架和标准台架的试验对比

1.1 试验用发动机的简单介绍

本文采用的GD190柴油机，GD190柴油机是采用四冲程、水冷、直喷式小功率农用柴油机，其设计的主要参数表1所示。

表1 GD190柴油机的设计主要参数

1.2 两种试验台架的简单介绍

进行小型发动机台架试验时，常需要将发动机气缸盖上的排气道出口与试验台架上的排气管接头对接，以便将废气排入地下烟道。测功机的排气管座是固定在测功机试验台上的，而不同型号发动机从曲轴中心到气缸盖上的排气孔中心距离不一样。原装的试验台架不适用于GD190柴油机，需要重新设计排气管接头，并且每次要进行GD190柴油机试验时，需要更换与该发动机型号对应的排气管接头，拆装也比较繁琐。

从试验台架的适用性出发，对原排气管接头进行了改装，并进行台架试验，原排气管接头和原结构改装排气管接头的几何模型如图1所示。为了确保试验台架测试的准确度，将GD190柴油机与在标准试验台架上测试得到的性能参数进行对比。标准试验台架已经经过标定，其排气管是一根直径与排气道相同的弯管。

图1 排气管接头的几何模型

1.3 试验对比

分别在标准台架和安装原结构改装排气管接头的台架上，对柴油机进行额定工况的台架试验，并将排气背压和发动机的部分性能指标的试验结果进行对比。

（1）排气背压的对比

排气背压对发动机的经济性和动力性有着重要的影响，合理的排气背压对发动机的性能至关重要。排气背压过大，会导致充气损失增加，从而使得发动机燃烧效率下降，燃油经济性恶化，功率输出降低；排气背压过小会使得排气系统开发成本增大[3]。

试验标准[4]中规定，排气背压值是指在距离排道出口75 mm处的排气背压值，但鉴于排气管接头的入口的中心的偏置，形成了一段截面积较小的通道，会使得接头入口压力升高，则又测量了距离排气道出口10 mm处排气背压值。两种试验台架的两个位置的排气背压值的测量结果如表2所示。

表2 标准台架和原装台架的排气背压值

试验标准[4]中规定，排气背压应当按制造厂的规定或低于6.7 kPa.从表3可以看出，标准台架的排气背压值都属于合理范围内，而原装台架的75 mm处的排气背压值虽然处于合理范围，但10 mm处的排气背压值过大，远远超过了规定的数值6.7 kPa.

（2）发动机性能指标的对比

标准台架和原装台架的性能指标值如表3所示。

表3 标准台架和原装台架的性能指标值

GD190柴油机在额定工况下的额定功率是7 kW，燃油消耗量应该小于等于260 g/kW·h.从表3中可知，标准台架的测量出的性能指标测量值接近设定值，在合理范围内；但是使用原装的发动机台架时，发动机的有效功率和有效扭矩明显偏低，燃油消耗率明显超出了额定值，且在试验过程中，排气管出现发红的现象。

经过以上的对比可知，原装试验台架进行不同型号的发动机试验，排气管接头的拆装较为麻烦，灵活性较低；即使经过改进，台架适用性提高，但试验数据表明台架测量准确度低，有必要对台架的排气系统内部结构进行研究分析，找出影响发动机性能的原因，并对其结构进行优化。

2 对应于改装接头的台架排气系统的三维数值模拟

2.1 试验台架排气系统的简单介绍

试验台架的排气系统主要包括：排气管接头、排气管座和排气总管。其排气路径图2所示，试验台架排气系统的几何模型如图3所示。

图2 原装台架排气系统的排气路径

以上是GD190柴油机试验台架排气系统，其中排气管接头已经过改装，在不改变试验台架排气管布置的基础上，采用偏置排气入口以对接GD190柴油机的排气道出口。但此由于排气管接头入口的直径固定，只适用于GD190型柴油机，不适用于GD16、GD170和GD180等其他机型。

2.2 网格划分

使用UG软件构建出两种排气系统的几何模型，并运用fire自带的FIRE FAME Hexa模块进行网格划分，最终生成的排气系统计算网格如图4所示。

图4 对应于改装接头的台架排气系统的计算网格

2.3 边界条件的设定

在三维稳态流动计算中，主要涉及的边界条件包括进出口边界条件和壁面温度，为了对比分析二种排气管接头对排气系统流通性能的影响，对试验台架二种排气系统都设置了相同的边界条件：进口边界条件：采用总压力入口条件，为101 325 Pa；出口边界条件：采用静压力出口条件，为97 895 Pa；壁面采用无滑移边界条件，壁面温度设为300 K.

2.4 计算结果及分析

2.4.1 三维空间流线分析

如图5所示，排气系统中的排气总管内的流线较为顺畅，排气管座内流线扭曲的十分厉害，在靠近排气总管的一端存在有较明显的涡流。由于排气管接头入口的偏置，使得排气管座弯管处存在较明显的回流现象，在上排气管的弯管连接处和下排气管的入口出由多个区域形成了涡流。在这些形成涡流的区域内，不同流速的流体相互碰撞和摩擦会造成阻力损失和能量损失，对排气流通性造成一定程度的影响。

（续下图）

（续上图）

图5 对应于改装接头的台架排气系统的计算网格

2.4.2 速度场分析

如图6所示，从图中来看，排气总管速度分布十分均匀，排气管座内的速度分布并不均匀。流体由排气道流入接头，排气管接头直接连接排气道和排气管座，由于入口的偏置和流通截面积的突变，在入口处形成了高速区和低速区。流体以较大速度从一侧流入排气管座，排气管座的前半部分中的两侧流体的流速相差加大，在排气管座的弯曲处，由于管道弯曲部分流体由于碰撞壁，在排气管座内形成了较为明显的回流，并在弯管的两侧形成了小尺寸的涡流，这大大影响了排气系统的流通性。

图6 对应于改装接头的台架排气系统的速度矢量图

2.4.3 压力场分析

由图7可以看出，由于入口的偏置，在排气管接头入口的一侧和排气管座入口的一侧都形成了明显的高压区和低压区。排气管接头入口处的压力梯度约为4 709 Pa；排气管座入口处的压力梯度约为3 612 Pa，在这两个区域产生了较大的压力损失，对流动产生较大阻力。此外，在弯管连接处形成了面积较大的高压区，其最大压力约为100 099 Pa，这些高压区的都会对流体的流动产生阻力，对排气系统的流通性能产生一定的影响。

图7 对应于改装接头的台架排气系统的压力分布云图

3 排气管接头的优化

综合上述排气系统内部的流动分析可知，原接头无法进行试验需要进行改装，改装后的接头中有一小段横截面积较小的过渡管，使得台架中的排气管接头处和排气管座的弯管处的流动非常不顺畅，需要对排气管接头的几何结构进行进一步优化。

3.1 优化后排气管接头的简单介绍

通过改变接头的形状来改善入口处的流动，还通过调整滑板来调整入口的位置，提高了台架的灵活性。优化后的滑板式排气管接头的几何模型如图8所示。

图8 滑板式排气管接头几何模型图

3.2 优化后试验台架排气系统的三维数值模拟

3.2.1 网格划分

优化后的试验台架排气系统中只改变排气管接头的几何结构，入口的偏置位移以及排气管座与排气总管的结构都不变，采用相同的方法对优化后试验台架排气系统的几何模型进行网格划分，其计算网格如图9所示。

图9 滑板式排气管接头排气系统计算网格

3.2.2 计算结果及分析

（1）三维空间流线分析

从图10中的左视图和右视图可以看出，滑板式排气管接头采用矩形内腔之后，由接头进入排气管座的流线，顺畅了许多，排气管座前管内已经不存在回流的现象，在入口处也没有形成涡流。但从俯视局部放大图可以看出，排气管座的下排气管的流线扭曲的很厉害，靠近地排气总管入口的区域形成了尺寸较大的涡流，流动十分不顺畅，会对排气系统的流通性产生影响。

图10 滑板式排气管接头排气系统三维空间流线图

（2）速度场分析

从的速度矢量图11可以看出，流体进入排气管接头的矩形腔体后，流速分布较为均匀。虽然一部分流体由于入口的偏置，在进入接头后碰撞矩形腔体的壁面形成了回流，但大部分的流体由接头进入排气管座时都较为顺畅，没有存在明显的涡流。但流体进入排气管座后，有较大一部分流体在弯管处由于碰撞壁面沿着壁面往回流，这对系统的排气流通性产生了一定程度的影响。

图11 滑板式排气管接头排气系统速度矢量图

（3）压力场分析

由图12可以看出，滑板式排气管接头的矩形空腔内的压力分布较为均匀，入口处已经没有了明显的高压区和低压区，这有利于提升整个排气系统的排气流通性。但在排气管座入口的一侧，由于排气管接头入口的偏置，形成了小面积的高压区和低压区，压力梯度约为3 273 Pa，与原改装接头相比压力梯度下降了1 436 Pa，大大减小了压力损失。

图12 滑板式排气管接头排气系统压力分布云图

3.3 与标准台架试验对比

3.3.1 排气背压对比

由表4可以看出，试验台架安装滑板式排气管接头后的排气背压值在合理范围内，比标准台架测得的排气背压值略大。

表4 标准台架和采用滑板式排气管接头的试验台架的排气背压值

3.3.2 发动机性能对比

由表5可以看出，采用滑板式排气管接头的试验台架测量出发动机的功率与扭矩都大于标准台架的测量值，虽然有效燃油消耗率大于标准台架的测量值，但仍处于发动机的规定范围内。由次可以看出，使用滑板式排气管接头的台架进行发动机试验，对发动机的动力性和经济性影响更小，台架的测量准确度度更高。

表5 标准台架和滑板式排气管接头的试验台架的性能指标值

4 结束语

为了保证发动机性能试验的准确度，要确保试验台架排气背压在要求的范围内，而流通性对发动机性能的影响不容忽视，综合上述的研究得出以下结论：

（1）对原装排气管接头入口采用偏置结构，会在偏置的入口处形成明显的高压区和低压区，造成较大的压力损失，对整个试验台架的排气系统的排气流通性能造成了一定程度的影响，从而对发动机的性能产生了影响，并降低了整个试验台架的测量准确度。

（2）改变排气管接头的几何形状，增大接头的空腔，将原排气管接头换成滑板式排气管接头，不仅可以提高试验台架排气系统的排气流通性，降低其对发动机动力性和经济性的影响，从而提高试验台架的测量准确度，还可以通过移动滑板来调整排气入口的位置，适用不同型号的发动机，大大提高了试验台架的灵活性，避免了拆装接头的麻烦。

（3）滑板式接头虽然改善了排气的系统的流通性和发动机的性能，但在排气管座的弯管连接处和下排气管内的部分区域仍有涡流，这些涡流会对排气的流通性能产生一定的影响，需要的对排气管座的弯管连接处的结构进行进一步的优化。

[1]朱世一.小型发动机台架试验测控系统的研制[D].南京：南京理工大学，2013.

[2]陆海涵，韦海燕，雷杰超，等.基于稳态流通特性的螺旋进气道结构参数灵敏度分析[J].装备制造技术，2014（10）：15-18.

[3]马少康，梁涛，苏艳君，等.排气背压对发动机性能影响的研究[J].小型内燃机与车辆技术，2015，44（2）：12-15.

[4]国家机械工业局.JB/T 21127-1999中小功率柴油机产品可靠性考核[S].北京：国家机械工业局，1999.

Numerical Simulation of the Flow Field in the Exhaust System of Diesel Engine Test Bench Based on AVL FIRE

LI Chun-hong，WEI Hai-yan
（School of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning Guangxi 5300007，China）

A computational fluid dynamic（CFD）model of the GD190 diesel engine was constructed for the heavy exhaust back pressure and the exhaust pipe redness of the small diesel engine test bench.Using the software of AVL FIRE to respectively analysis the flow characteristics inside the exhaust system connected by three kinds of exhaust pipe joint.Using flow characteristics and flow mass in the outlet to measure the quality of exhaust system. Numerical simulation results show that the sign of the ball joint is best，but the gas flow in the flow field is not smooth for that there are marked roll currents.It is necessary to optimize the structure size to ensure the measurement accuracy of the test bench.

AVL FIRE；exhaust system；flow field；numerical simulation

TK421.3

A

1672-545X（2017）07-0141-05

2017-04-02

李春红（1992-），女，瑶族，广西平南人，主要研究方向为：内燃机节能与排放控制。