煤矿用防爆水冷进排气歧管的仿真分析

王晓

(中煤科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

近年来,由于煤矿井下无轨辅助运输设备的快速发展，以防爆柴油机为动力源的防爆车辆得到了广泛的应用。防爆柴油机相对其他动力源,效率高、能耗小，但由于煤矿井下的特殊性，其与普通柴油机是有区别的[1-7],其结构、性能、排放等需满足MT 990—2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》的要求。因此，防爆柴油机及其部件的防爆设计成为煤矿防爆柴油机设计的一个重要环节，也是一个难点问题[8-11]。

进气歧管和排气歧管是柴油发动机进气系统和排气系统中非常重要的部件，因此进气、排气歧管是柴油机进行防爆设计改造中的重点和难点。对于某型防爆柴油机，其进气歧管和排气歧管分布在缸体的一侧，布置紧凑，空间有限，分开设计防爆进气歧管和防爆排气歧管是不可行的。因此，设计一个符合防爆要求的，将进气歧管和排气歧管合理地集成在一块的一体式水冷进排气歧管是非常必要的。本文应用流体动力学原理，对进、排气歧管内部压力和速度的分布进行了模拟和分析，在此基础上，对其进行了优化改进。

1 进排气歧管气体流动数学模型

根据质量守恒定律，其方程微分形式为[12-13]：

(1)

其动量方程为：

(2)

(3)

能量方程微分形式为：

(4)

动能方程为：

(5)

对于湍流效应，工程上通常利用湍流模拟，通过数学模型来解决，以使湍流流动的方程组封闭。湍流模型是双方程模型中的一种，其计算量适中，针对工程上的流动问题，能给出比较合理的结果，是柴油发动机缸内及进排气系统内气体流动计算中常采用的湍流模型，故本文采用双方程模型来模拟湍流效应。

k方程为：

(6)

ε方程为：

(7)

式中：δk为k方程中的常数；μl为ε方程中的常数。

2 进排气歧管的物理模型

某型防爆柴油机的一体式水冷进排气歧管的内部结构如图1所示。为了保证防爆柴油机工作时该进排气歧管的外表面表温不高于150 ℃，满足MT 990—2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》的要求，该进排气歧管在进排气腔外增设水套，进排气歧管中进气腔和排气腔中的气体的外壁不直接和空气接触，而是被外侧的水套包裹起来。当防爆柴油机工作时，水套中的水不断循环冷却进气和排气，使歧管中的尾气温度得到降低，形成了防爆柴油机尾气冷却的第一道冷却装置。

1-连接管；2-安装孔；3-水腔2；4-水腔1；5-排气脉冲腔；6-排气口；7-进气口。图1 一体式水冷进排气歧管的结构示意图

3 进排气歧管内部流体分析

采用CFD分析方法对某型防爆柴油机一体式进排气歧管稳流特性进行分析研究。

图2和图3分别为一体式进排气歧管内进气部分的内部流动y截面的压力、速度场分布。从图2和图3中看出,从1缸到6缸随着流动路径的增长，流体流速逐渐减小。

图4为进气凸台处速度场分布。从图4可以看出，1缸和6缸进气歧管和进气道接口处的凸台处出现了流体流动不畅，速度、压强分布不均匀的现象。

图2 进气y截面压力分布

图3 进气y截面速度分布

图4 进气凸台处速度分布

图5和图6分别为一体式进排气歧管内排气部分的内部流动y截面的压力、速度场分布。从图5和图6中可以看出，排气出口在前端，各缸气体从排气道流入后主要流向前段的出口区域，导致其末端(6缸后端)的歧管空间内部流速较低。

图5 排气y截面压力分布

图6 排气y截面速度分布

图7为排气凸台处速度场分布。从图7可以看出，各缸排气歧管和排气道接口处的凸台出出现了流体流动不畅，速度、压强分布不均匀的现象。

图7 排气凸台处速度分布

4 进排气歧管优化后内部流体分析

基于图2～图7的分析结果，结合该型防爆柴油机的实际工作情况，对该一体式水冷进排气歧管进行了结构优化设计，消除了流动死区，优化后结构如图8所示。

1-安装孔；2-排气脉冲空；3-排气口；4-水腔1；5-水腔2；6-进气口。图8 优化后的一体式水冷进排气歧管的几何模型

图9 优化后进气y截面压力分布

图9和图10分别为优化后一体式进排气歧管内进气部分的内部流动y截面的压力、速度场分布，图11为优化后进气凸台处速度场分布。从图9～图11可以看出：

进气由歧管到气道之间的过渡更顺畅，y截面的速度分布与优化前相比，歧管内部速度分布更加均匀，局部低速区域得到缓解。进气凸台处流动分布得到显著改善。

图10 优化后进气y截面速度分布

图11 优化后进气凸台处速度分布

图12和图13分别为优化后一体式进排气歧管内排气部分的内部流动y截面的压力、速度场分布,图14为优化后排气凸台处速度场分布。

图12 优化后排气y截面压力分布

图13 优化后排气y截面速度分布

图14 优化后排气凸台处速度分布

从图12～图14中可以看出：与优化前相比，排气由歧管到气道之间的过渡更顺畅，y截面的速度和压力分布更加均匀，局部低速区域得到缓解。排气凸台处流动分布比优化前顺畅很多，速度和压力的分布也比优化前均匀。

5 结论

从解决防爆柴油机进排气布置在缸体一侧的目标出发，基于进排气流体数学模型和《矿用防爆柴油机通用技术条件》标准，对一体式水冷进排气歧管进行了仿真分析及优化设计。优化后的一体式水冷进排气歧管，进排气由歧管到气道之间的过渡更顺畅，截面的速度和压力分布更加均匀，局部低速区域得到缓解；进排气凸台处流动分布比优化前顺畅很多，速度和压力的分布也比优化前均匀。