三維流動數(shù)值模擬在D6114系列柴油機(jī)進(jìn)氣過程及其氣道設(shè)計(jì)改進(jìn)中的應(yīng)用研究.pdf

1、本文結(jié)合上柴公司的電控柴油機(jī)和四氣門柴油機(jī)的開發(fā)項(xiàng)目，以實(shí)際產(chǎn)品為研究對象，對穩(wěn)流試驗(yàn)臺條件下的兩氣門柴油機(jī)和四氣門電控柴油機(jī)的進(jìn)氣道一氣閥一氣缸系統(tǒng)進(jìn)氣過程的三維穩(wěn)態(tài)流動，進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)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(jī)進(jìn)氣過程三維數(shù)值模擬的研究狀況，建立了柴油機(jī)的進(jìn)氣道一氣閥一氣缸系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)流動的數(shù)學(xué)物理模型，針對計(jì)算區(qū)域的特點(diǎn)，選用了任意拉格朗日一歐拉(ALE)法來模擬兩氣門柴油機(jī)和四氣門電控柴油機(jī)的進(jìn)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(jìn)氣道壁面邊界條件，正確選取了時(shí)間步長和初邊值條件，保證了計(jì)算的精度和穩(wěn)定性。 對D6114B型柴油機(jī)進(jìn)氣過程進(jìn)行了全面的三維穩(wěn)態(tài)流動模擬研究，計(jì)算結(jié)果與穩(wěn)流試驗(yàn)臺的試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。對流場結(jié)構(gòu)，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(jìn)行了分析，結(jié)果表明： 對穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)中螺旋進(jìn)氣道—?dú)忾T—?dú)飧變?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(jì)算得到的氣道內(nèi)水平截面上的流速分布來看，往往外側(cè)的流速低于內(nèi)側(cè)的流速。因此，氣道進(jìn)口截面向內(nèi)側(cè)方向移動，提高氣道外側(cè)的流體速度，改善流速分布，使氣流在氣道導(dǎo)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(qiáng)度都是有益的。 在此基礎(chǔ)上，以生產(chǎn)應(yīng)用為目的，以CFD模擬計(jì)算為核心，開發(fā)了柴油機(jī)氣道設(shè)計(jì)工作平臺，從而方便而有效對柴油機(jī)氣道進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì)。

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

5、原型四氣門柴油機(jī)的進(jìn)氣道一氣閥一氣缸系統(tǒng)和兩種進(jìn)氣道改進(jìn)方案的計(jì)算分析和比較，表明： 四氣門柴油機(jī)進(jìn)氣過程中，兩進(jìn)氣道之間的氣流相互影響，造成了兩進(jìn)氣門出口速度的再分配，進(jìn)而導(dǎo)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(jī)兩氣道的組合渦流比小于單獨(dú)氣道渦流比。兩個(gè)進(jìn)氣道接觸的區(qū)域速度值越大，相互干擾的動量矩?fù)p失越大。四氣門柴油機(jī)進(jìn)氣渦流比和進(jìn)氣流量受兩個(gè)進(jìn)氣道的形狀與相對位置參數(shù)的影響，兩個(gè)進(jìn)氣道的優(yōu)化過程比兩氣門柴油

6、機(jī)更為復(fù)雜。因此在四氣門柴油機(jī)氣道設(shè)計(jì)過程中，合理選擇氣道結(jié)構(gòu)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(jìn)一步提高氣道的流量系數(shù)具有重要意義。 在進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，進(jìn)氣道形狀對充氣效率影響很大，氣道導(dǎo)流部分的結(jié)構(gòu)直接影響著缸內(nèi)流場的形成，最佳的的進(jìn)氣流量和渦流比也與之密切相關(guān)。 設(shè)計(jì)的新氣道結(jié)構(gòu)簡單，在不改變原進(jìn)氣道的氣門和氣門座結(jié)構(gòu)的情況下，增大進(jìn)氣道進(jìn)口高度，提高了進(jìn)氣道的進(jìn)氣流量，渦流比