基于CFD的仿生非光滑表面柴油机螺旋进气道对进气过程质量流率的影响分析

王海洲， 沙学锋， 邹家平

（1.吉林大学交通学院，吉林长春 130022；2.装甲兵技术学院机械工程系，吉林长春 130117）

0 引 言

在柴油机工作过程中，进气质量是影响其性能的重要条件之一。在这一过程中，进气道流通特性的好坏对气缸内空气的运动状态、燃料的雾化效果、燃料与空气的混合程度和燃烧过程产生重要的影响［1］，最终影响发动机的动力性、经济性及排放性［2］。国内外学者主要通过对进气道的外形结构、截面尺寸以及进气道的排列布置对缸内气体的运动状态进行研究［3－4］，通过传统的稳流试验得出结论，但并不能充分反映发动机工作时进气道瞬态空气的运动状态［5］。

近几年，仿生非光滑表面的应用以其特有的减阻效果被人们所重视，并在生产实践中得到广泛应用，如具有“鲨鱼皮表面”的泳衣，可以减小7%的阻力，从而提高运动员的速度，高尔夫球凹坑表面设计减小了表面的阻力系数，从而使球体飞的更远等［6－7］。因此，文中提出将仿生非光滑表面应用于柴油机螺旋进气道内表面，将两者相结合来改善进气质量。通过fluent软件，利用动网格技术进行瞬态CFD数值模拟，分析其对缸内气体质量流率以及缸内空气流速的影响，验证其对进气道流通特性的影响。

1 仿生非光滑表面进气道模型建立

1.1 仿生非光滑单元体的尺寸设计

仿生非光滑表面的减阻通过破坏边界层的内部流动，控制边界层对湍动能的影响，减小速度梯度对边界层内空气流速的影响和能量的损失，进而提高了进气道轴线处即核心区域的流速，边界层厚度计算公式［8］为：

式中：d——进气道直径；

Re——雷诺系数；

λ——沿程阻力系数；

v——流体速度；

ν——流体的运动黏度；

D——气缸直径；

S——活塞行程；

n——发动机转速；

S1——进气道进口处的截面积。

根据计算，文中选用单元体尺寸直径为4 mm，深度为1 mm的凹坑和凸包。

1.2 进气道模型的建立

采用柴油机螺旋进气道模型，其原型为一汽－大柴发动机，结构参数见表1。

表1 一汽－大柴柴油发动机参数

通过catia软件对柴油机螺旋进气道进行三维建模，选取发动机气门为6，8，10 mm 3个升程。通过对仿生非光滑表面相关文献的研究和计算，选取凸包、凹坑两种减阻效果较好的仿生单元体，将其与原进气道模型相结合，如图1所示。

图1 3种表面进气道三维模型的建立

2 动网格划分方法

动网格模型是在每一个时间步迭代之前，根据边界或物体的运动、变形更新和重新构建计算域的网格，从而达到计算各种非定常流体与固体的耦合、计算域随时间变化的问题。

2.1 动网格技术的优点

进气道稳态CFD数值模拟在柴油机进气道优化设计过程中得到了广泛的应用，但实际工作的进气过程是一个瞬态的过程，柴油机的活塞和气门时刻保持着运动状态，且气缸的工作容积也在不停的变化，只考虑稳态的进气过程并不能充分反映进气道和缸内气体的运动情况。相比于进气道稳态CFD分析，动网格技术具有更好的几何灵活性；通过控制网格尺寸变化来模拟运动过程；通过自适应加密和划分网格以进行数值模拟分析，从而更真实地反映进气过程中由于气门的运动对进气道和缸内气体流动的影响。

2.2 动网格控制方程

应用动网格模拟柴油机工作时气缸边界发生位移的动态效果，采用动网格守恒方程进行求解［9］，其控制方程为：

其中，时间导出项用一节向后差分格式表示为：

时间导数为：

式中：ρ——密度；

U——速度向量；

Uδ——动网格位移速度；

Γ——扩散系数；

n——时间层；

nf——控制体面积；

Aj——面积向量。

2.3 计算网格生成

使用gambit软件对原模型和拥有凹坑、凸包非光滑表面的进气道模型进行网格划分，为了保证网格划分质量和实验精度要求，设置网格最小尺寸为1.2 mm；按照动网格划分要求，对进气道部分和气缸上部采用四面体网格进行划分，活塞运动扫过的气缸部分采用六面体进行网格划分，如图2所示。

图2 进气道模型的网格划分

3 进气道进气过程瞬态模拟及数值分析

3.1 fluent边界条件的设置

在fluent软件中设置流体状态为非稳态，流体为理想气体，选择标准k-ε模型作为湍流方程；进气道入口设置为inlet；边界条件为压力入口，压力为99 350 Pa；固体壁面边界设置为绝热；在动网格划分方法中选用弹性平滑方法、动态分层方法、局部重画法；发动机的工作转数选取1 000，1 500，2 000，2 500 r／min；参照气门升程的参数设置进气过程的曲轴转角；冲程和曲柄连杆的长度及相关参数根据发动机实际参数进行设置。

3.2 进气道出口处截面速度分析

从CFD的运行结果来看，进气道内的空气流速一直呈增长趋势，其主要原因，一方面为进气道的前后段压差不同产生了加速作用，另一方面因为进气道截面面积变化较大，出口截面相比于进口面积缩小，促使了气流的加速运动；在螺旋气道中，流速从螺旋上部向出口方向逐渐增大，由于斜坡面拐向出口，速度矢量逐渐增大。在出口处绕气门轴线做螺旋运动，经过气门开启截面后，气体以旋转锥形进入气缸，气流在气门外缘处分离。由于气门下面存在回流区，且进入气缸的空气不断地与缸壁发生碰撞，导致缸内速度分布不均匀。但随着气流的向下运动和流速的逐渐平稳，不均匀程度逐渐改善。

发动机在4种转速下，原模型与带有仿生非光滑表面的进气道模型在进气道出口处的最大速度见表2～表5。

表2 发动机1 000 r／min时进气道出口处最大速度m／s

表3 发动机1 500 r／min时进气道出口处最大速度m／s

表4 发动机2 000 r／min时进气道出口处最大速度m／s

表5 发动机2 500 r／min时进气道出口处最大速度m／s

从分析可以看出，相比于原进气道模型，带有仿生非光滑表面的进气道改善了进气道内气体的运动状态，同时提高了进入气缸内空气的运动速度，且凸包模型对速度的提高影响较大。相比于带有凸包表面的进气道模型，由于仿生单元体尺寸选取的局限性影响，凹坑模型仅在一定的气门升程下，提高了进气道内气体的速度。

发动机工作在2 000 r／min时，气门升程分别在6 mm，8 mm，10 mm下，不同模型的缸内气体运动的速度云图如图3～图5所示。

图3 气门升程6 mm时3种模型进气过程的速度云图

图4 气门升程为8 mm时3种模型进气过程的速度云图

图5 气门升程为10 mm时3种模型进气过程的速度云图

通过对比分析发现，带有仿生非光滑表面的进气道显著地提高了缸内气体的运动速度，改善了缸内气体的运动状态。

3.3 进气道截面处质量流率分析

通过分析在Y＝5 mm气缸截面处的质量流率发现，在不同发动机转速下，仿生非光滑表面进气道对进入缸内气体的质量流率都有提升，见表6～表9。

表6 发动机1 000 r／min时Y＝5 mm处气缸截面处的质量流率 kg／s

表7 发动机1 500 r／min时Y＝5 mm处气缸截面处的质量流率 kg／s

表8 发动机2 000 r／min时Y＝5 mm处气缸截面处的质量流率 kg／s

表9 发动机2 500 r／min时Y＝5 mm处气缸截面处的质量流率 kg／s

带有凹坑表面的进气道，在发动机转速为2 300 r／min时，对质量流率的提升达到了0.89%，相比于带有凸包表面的进气道，其提升效果不明显。在发动机转速为1 000 r／min时，凸包模型的提升幅度达到了8.64%，且在各个转速下的提升效果均为明显。其主要原因为当气流流过凸包表面时，凸包单元体之间相互影响，凸包表面边界层对进气道内的气流产生了分离作用，有效控制了动量交换过程。但在仿真模拟的过程中发现，当进气道入口处空气流速较低时，由于仿生单元体的结构特点，低速空气与凸包模型入口处的凸起部分接触产生回流，最终导致出口处的质量流率降低。

4 结 语

根据仿生非光滑表面减阻的原理，选取了凹坑和凸包两组仿生单元体将其与柴油机螺旋进气道结合，通过动网格技术和CFD数值模拟，分析其对进气流速和质量流率的影响，得出以下结论：

1）通过动网格技术模拟发动机2 000 r／min时的瞬态工况，在同气门开度下，仿生非光滑表面可以提高进气流速和质量流率。

2）仿生非光滑表面对进气道内气体的运动速度和质量流率，受单元体的选型和气门升程的大小影响较大。

3）相比于原进气道模型带有凸包的进气道模型在不同发动机转速下，在气门升程为6 mm和10 mm时，对进气流速和质量流率有显著的提高。

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