三維流動數(shù)值模擬在D6114系列柴油機進氣過程及其氣道設計改進中的應用研究.pdf

1、本文結合上柴公司的電控柴油機和四氣門柴油機的開發(fā)項目，以實際產(chǎn)品為研究對象，對穩(wěn)流試驗臺條件下的兩氣門柴油機和四氣門電控柴油機的進氣道一氣閥一氣缸系統(tǒng)進氣過程的三維穩(wěn)態(tài)流動，進行了數(shù)值模擬計算和系統(tǒng)的分析研究工作。 全文綜述了國內(nèi)外內(nèi)燃機進氣過程三維數(shù)值模擬的研究狀況，建立了柴油機的進氣道一氣閥一氣缸系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)流動的數(shù)學物理模型，針對計算區(qū)域的特點，選用了任意拉格朗日一歐拉(ALE)法來模擬兩氣門柴油機和四氣門電控柴油機的進氣道

2、一氣閥一氣缸系統(tǒng)內(nèi)氣體的穩(wěn)態(tài)流動，根據(jù)數(shù)值模擬的需要，給出了進氣道壁面邊界條件，正確選取了時間步長和初邊值條件，保證了計算的精度和穩(wěn)定性。 對D6114B型柴油機進氣過程進行了全面的三維穩(wěn)態(tài)流動模擬研究，計算結果與穩(wěn)流試驗臺的試驗結果吻合良好。對流場結構，包括速度分布、壓力分布、湍動能分布、流線和跡線、缸內(nèi)總體參數(shù)(渦流比、流量系數(shù))等進行了分析，結果表明： 對穩(wěn)流實驗中螺旋進氣道—氣門—氣缸內(nèi)流場的三維數(shù)值分析，可得大

3、量流動過程的信息，能深入了解幾何形狀對流動特性的影響。 從計算得到的氣道內(nèi)水平截面上的流速分布來看，往往外側的流速低于內(nèi)側的流速。因此，氣道進口截面向內(nèi)側方向移動，提高氣道外側的流體速度，改善流速分布，使氣流在氣道導向部分內(nèi)就形成對氣缸中心較高的動量矩，對提高氣道流通性能與渦流強度都是有益的。 在此基礎上，以生產(chǎn)應用為目的，以CFD模擬計算為核心，開發(fā)了柴油機氣道設計工作平臺，從而方便而有效對柴油機氣道進行改進和設計。

4、 利用此平臺對D6114電控四氣門柴油機進氣過程的三維穩(wěn)態(tài)流動成功地進行了模擬研究，從而驗證了了所建立的數(shù)學物理模型的預測水平和精度，證實了此工作平臺是可靠和有效的。 在此基礎上，針對上柴公司正在開發(fā)的D6114四氣門柴油機缸蓋布置的需要，和現(xiàn)有的一臺四氣門電控柴油機缸蓋和進氣道的特點，對原有進氣道的高度和形狀作了一定的改進，提出了兩種進氣道的改進方案。并對改進方案進行了相應的三維穩(wěn)態(tài)流動模擬研究，獲得了滿意的結果。通過對

5、原型四氣門柴油機的進氣道一氣閥一氣缸系統(tǒng)和兩種進氣道改進方案的計算分析和比較，表明： 四氣門柴油機進氣過程中，兩進氣道之間的氣流相互影響，造成了兩進氣門出口速度的再分配，進而導致了缸內(nèi)氣流繞氣缸軸線動量矩流率的變化，因此四氣門柴油機兩氣道的組合渦流比小于單獨氣道渦流比。兩個進氣道接觸的區(qū)域速度值越大，相互干擾的動量矩損失越大。四氣門柴油機進氣渦流比和進氣流量受兩個進氣道的形狀與相對位置參數(shù)的影響，兩個進氣道的優(yōu)化過程比兩氣門柴油

6、機更為復雜。因此在四氣門柴油機氣道設計過程中，合理選擇氣道結構形狀的組合，優(yōu)化氣道布置參數(shù)，對減小兩氣道相互干擾的造成的能量損失，進一步提高氣道的流量系數(shù)具有重要意義。 在進氣道的結構設計中，進氣道形狀對充氣效率影響很大，氣道導流部分的結構直接影響著缸內(nèi)流場的形成，最佳的的進氣流量和渦流比也與之密切相關。 設計的新氣道結構簡單，在不改變原進氣道的氣門和氣門座結構的情況下，增大進氣道進口高度，提高了進氣道的進氣流量，渦流比