柴油机气体流动多维数值模拟研究

王亚雷 ， 康健健

（河南科技职业大学，河南 周口 466000）

在进气系统进气及压缩时，体系处于复杂的流动状态，且受到外界的多重作用，往往容易发生变化。在此状态下，气体的速度、压力等基本参数就将处于非均匀状态下，与时间、位置等有着紧密关系，需要结合热力学、流体力学等领域的理论展开分析。当前，我国在柴油机气体流动的科研中大多采用实验、模拟相结合的方式。作为获取实际数据、描述工作过程的一项重要手段，实验能够准确、客观地将气体流动作为一个综合性进程进行表达，但往往需要配备多种设备机械，且实验周期一般较长[1]。此外，对于部分难以实测得到的数据欠缺研究手段。而数值模拟则能够充分发挥计算机分析的优势，基于基础理论得到具体的研究结果，并与实验数据形成相互对照[2]。不同于实验，数值模拟在研究中具有突出的便捷性、时效性及经济性，能够准确定位影响柴油机工作的关键因素，进而指导技术人员改进气体系统设计，将产品的成本、性能控制在合理的范围内。借助数值模拟可以较为详细且全面地获得缸内气体的流动情况，所以为了提升数值模拟的实际应用效果，改进柴油机设计，需要明确气体的基本参数，建立与之相对应的计算流体动力学模型完成分析。

1 气体流动数值模拟计算的方法

本研究选择应用高阶差分格式来应对其存在的缺陷。其中，考虑到二阶迎风格式能够达到三阶精度，且其在方程守恒上的控制效果比较好，所以最终选定该方法。

为了提升数值模拟与实验实测之间的拟合性，在开展柴油机缸内气体分析时需要充分考虑变量间的耦合作用，特别是在分析速度、压力等参数时应尤为关注。实践表明，速度、压力间的耦合作用比较普遍且突出，这也就导致气体流动的模拟难度较大[3]。气体压力是求解方程组过程中重要的基本参数，但该参数不能独立建立起一个方程进行求解。在这样的情况下，就需要采取一定措施来分离气体速度及压力之间的耦合作用，本研究采用SIMIPLE算法。

SIMIPLE算法是目前实践中解决气体速度与压力耦合作用的常用方法，其主要借助半隐式法来完成求解[4]。这一算法的基本思路在于通过迭代法完成速度求解，并在速度求解方程中预先设定初始压力值，并通过动量方程计算获得影响的速度场。在此计算模式下，如果能够在连续性方程中实现守恒，那么就表明模拟与实际能够达成较好的拟合；如果连续性方程不能实现守恒，那么就表明模拟与实际不能达成较好的拟合，需对预设压力进行适当的调整，并重复上述流程，迭代至符合要求。

虽然SIMPLE算法能够很好地适应气体速度与压力的耦合问题，但其也存在收敛性问题，随着实践及研究的不断深入，这一问题逐步得到了改善。

2 三维模型的建立

由于柴油机的内部形状比较复杂且与各个燃烧室相连接的通道尺寸不一，这也就导致在划分模型单元时需要慎重考虑。此外，柴油机缸内气体的速度一般较大，且伴随存在不均匀的流场，这对分析计算过程将带来较为显著的不利影响。同时，为了确保数值分析结果具有足够的精度，需要确保分析模型与实体构件的尺寸形状完全相同[5]。本研究借助UGNX软件完成柴油机的建模工作，模型包括了柴油机系统内外各个构件。

根据柴油机实际构件的形状及尺寸，通过人工测量及绘制，通过UGNX软件得到相应的模型，三维实体模型如图1所示。考虑到气门位置处的气体流动比较敏感，所以在完成该位置建模时需要尽可能提升模型精度。

图1 三维实体模型

2.1 计算网格的划分

作为影响数值分析精确度及可靠性的关键环节，网格划分即将待解的空间划分为单元。借助守恒方程及数学模型对微小单元进行分析即可得出各单元内气体的速度[6]。本研究所分析的柴油机虽然在气道位置几何形状比较简单，但在接口处往往存在较多的几何变换，并对气流的敏感性较为突出，所以在划分网格时应当特别注意这些位置的单元优化。模拟过程包括了柴油机的进气与压缩两个环节，且会伴随产生气门、活塞空间位置的变化，因此网格也就会出现变动。

2.2 初始条件的设定

在完成模型建立与网格划分后，如果想要得到准确、可靠的分析结果，则需要确定合适的求解条件，主要包括了边界条件及初始条件两大类。其中，初始条件也即柴油机缸内气体的初始速度、压力、温度等基本参数，如有必要，不同区域的初始条件可根据实际情况分别定义。在本研究中分别对缸内、排气管等位置赋予了不同的初始条件，其具体参数的确定可以以GT-POWER软件仿真模拟结果为准。在过去的许多研究中，为了简化工作量，初始条件及边界条件依赖于技术人员的经验来确定，这也会在一定程度上导致结果的偏差。而在仿真软件的支持下，则能够显著提升参数的客观性，确保温度、压力等参数能够被控制在合理的范围内，并以此来描述实际工作中气体的状态。由此可以发现，GT-POWER得到的初始条件对于改善数值模拟水平而言有着积极意义。

2.3 边界条件的设置

边界条件主要包括了气体的物理边界及传热系数等，对于流场计算起着关键影响。由于边界条件的内容比较繁杂且受到多重因素的影响，因此需要根据实际情况选择相应的边界条件[7]。在本研究的数值模拟分析中，边界条件应当重点考虑固定壁面、流动边界及压力边界等。

1）压力进出口边界条件。在进出口边界条件时，AVL FIRE给定了许多不同的定义方法，柴油机内的气体实际速度难以得到准确的数值，但进出口位置的压力参数却可获得比较精准的数值，所以选用压力作为进出口的边界条件。具体来看，进出口位置的压力即在给定的边界上静压的具体数值。此外，还需要充分考虑到温度对气体的影响，一般通过控制进气道温度来达到控制效果。由于进出口与气缸之间存在不可忽视的距离，因此温度边界可粗略看作不变量进行处理，具体值可由GT-POWER通过仿真模拟得出。

2）固定壁面边界条件。数值模拟时一般可将壁面边界看作流体运动的物理边界，并以此构建边界条件。在分析流体运动过程时，壁面碰撞是不可忽略的一项因素，且其对模拟分析的影响往往十分突出[8]。特别是在壁面附近区域，速度、压力等基本参数往往会发生显著的变化，因此就需要充分重视这一影响，借助准确、可靠的壁面边界条件来描述物理边界，并以此判断模型建立是否合理。对于柴油机的不同组成部分，其壁面边界条件往往不同，需要予以区分对待[9]。考虑到壁面对于流体温度及速度等参数存在影响，因此其也并非定值。壁面的温度选用绝热条件，壁面的速度选用无滑移边界条件，在确定壁面速度边界条件时需要考虑到边界层的影响，所以本研究选用湍流壁面律来完成处理。

3）其他边界条件。为了定义连接或分离的网格边界，一般可借助附加边界的方法进行处理。

3 柴油机气体流动过程三维数值分析

在数值模拟中，将发动机转速定义为2 600 r/min，以此运算得到流场的速度、压力以及动能分布。本研究重点在于压缩时的流场状态，因此进气过程则可以用简略形式进行描述。此外，在345°CA～350°CA的过程中，由于气门升程始终处于较小的水平，因此分析可以将350°CA作为始点。为了简化分析说明，可将正截面看作经过气门中心线与缸盖顶面垂直的截面；将侧截面看作经过涡流室中心线与缸盖顶面垂直的截面[10]。

图2即为柴油机优化前后缸内充量的比对图。根据图中曲线可以发现，优化前后缸内充量的变化趋势基本重合，而改进后曲线在初期略高于原柴油机。而在下止点之前的区段内，优化前后缸内充量的曲线相差不大，可视为重合进行处理。而在排气门关闭后，缸内充量则变为定值。总体来看，优化处理对于缸内充量而言有着一定的提升效果。

图2 缸内充量变化

图3即为柴油机优化前后缸内平均温度的比对图。根据图中曲线可以发现，优化前后缸内平均温度的变化趋势基本重合，而改进后曲线在初期略高于原柴油机。而在后续区段内，优化前后缸内充量的曲线相差不大，可视为重合进行处理。

图3 缸内平均温度变化

图4即为柴油机优化前后缸内平均压力的比对图。根据图中曲线可以发现，优化前后缸内平均压力的曲线基本重合。

图4 缸内平均压力变化

图5即为柴油机优化前后缸内平均湍动能的比对图。根据图中曲线可以发现，进气阶段优化后的湍动能存在较为显著的变化，整体呈现出现上升后下降的趋势。同时，原柴油机的曲线也存在类似变化趋势，但相对缓和。

图5 缸内平均湍动能变化

4 结语

总体来看，本研究结合柴油机实例，基于FIRE软件对进气及压缩进程完成了模拟，并进一步得到了缸内气体的速度、温度机压力等基本参数的变化趋势。同时，以此为基础对原柴油机进行优化，调整其连接通道及配气相位。对优化前后柴油机的模拟结果进行分析，可以得出以下结论：

1）经优化处理后的柴油机缸内充量会发生略微增长，这也表明优化处理后的配气相位角有助于为气缸提供更为充足的进气量。

2）根据平均压力及平均温度曲线的比对分析可以发现，改进配气相位角对于缸内温度及压力的影响较为微弱，可视为基本相同。

3）根据缸内平均湍动能的比对分析可以发现，进气环节中经优化处理后的缸内湍动能将发生比较显著的变化，使得缸内气流更加不稳定。

4）借助计算流体动力学分析软件能够较为有效地模拟柴油机缸内气体的流动，有助于优化设计。