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《1螺旋进气道_气门_气缸内空气运动的3维数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、内燃机学报第17卷(1999)第1期Vol.17(1999)No.1TransactionsofCSICE990012螺旋进气道-气门-气缸内空气运动的3维数值模拟杨玟吴承雄(华中理工大学交通学院动力机械系,武汉430074)摘要对稳流试验中螺旋进气道-气门-气缸内3维流场进行了数值模拟,分析了气道形状、气门偏置对流场特征和涡流比的影响。计算表明:螺旋气道斜坡段产生的气流角动量是气流在气缸内形成旋流的主要原因。气流在螺旋进气道内产生的角动量与气缸内进气射流碰撞气门盘、气门座和气缸壁产生的角动量相结合,在气缸内
2、形成复杂的旋流运动,而气流运动到气缸出口平面时,小旋涡与主旋流融合,形成了单一方向的旋流,因而气道涡流比随着气缸轴向距离的增大而增大。这些结果表明,采用流动数值模拟可以获得稳流试验中难以得到的内部流动信息,从而为气道设计提供更有力的依据。关键词螺旋进气道-气门-气缸;3维流动;数值模拟mm;气道进口速度W=25m/s,U=V=0;进口湍动引言21.51.5能k=0.005W;湍动能耗散率=Ck/(yp),式柴油机中广泛采用螺旋进气道来组织气缸内的气中yp按混合长度理论确定。在固体壁面上采用无滑移流运动,而
3、评定螺旋进气道流动特性的方法目前主要条件,即U=V=W=0,近壁处采用对数律壁面函数。[1][6]是采用稳流试验测得涡流比和流量系数,这些结果周期性变化的边界条件采用CTDMA方法求解。在为研制实际发动机提供了确定涡流和流量性能的重要极轴上,由于相应方向上网格面面积为0,系数自动为依据。但是由于复杂的螺旋气道形状对涡流比和流量0,径向速度通过周围节点的体积平均给出极轴上的速系数的影响非常敏感,因此完全依靠进气道稳流试验度。来获得良好的气道流动特性需要大量反复修改气道形[2]状的试验。本文介绍了螺旋进气道稳流试验
4、条件下3维流场的模拟研究,计算了涡流比和流量系数,分析了气道形状、气门偏置对流场特征和涡流比的影响。结果表明,采用流动数值模拟可获得稳流试验中难以得到的内部流动信息,从而为气道设计提供更有力的依据。1计算方法本文采用的数学模型主要是由连续方程、动量守恒方程、k方程和方程组成的方程组,文献[3]中已给出了这些方程的表达式。由于螺旋进气道-气门-气缸构成的计算区域形状复杂,为了能准确地确定几何边界,采用了贴体正交曲线坐标系。用微分方程法生成[4]了贴体正交网格。图1给出了计算区域网格透视图。[5]计算采用SIMP
5、LE算法。边界条件为:进口截52面处滞止压强p=1.013×10N/m;气门升程L=11图1计算区域网格透视图原稿收到日期为1997-10-14,修改稿收到日期为1998-01-21。·60·内燃机学报第17卷第1期附近产生脱离,形成旋涡。2结果分析本文螺旋进气道-气门-气缸装置的结构参数为:缸径102mm,冲程115mm,气阀直径42mm,气道中心与气缸中心的偏心距28.16mm。为了便于说明,将进气道分为3段:从k1至k17称直流道段,k17至k30称螺旋流道斜坡段,k30至k53称螺旋流道平顶段。此外,
6、构成螺旋流道的表面分为外侧壁面、内侧壁面、顶面和出口截面,如图1所示。图中相应于正交曲线坐标轴q1,q2和q3各方向上网格节点的编号记为i,j,k,其图3螺旋流道斜坡段内k20和k28截面上各自增大的方向,即曲线坐标值增大的方向,也是曲线U和V合速度矢分布坐标系中3个速度分量U,V,W的正方向,如图1中箭头所示。图2示出了i7j14网格节点上3个速度分量U,V,W沿k方向的变化。结果表明:在直流道内的速度分量U,V都很小,但由于直流道截面是渐缩的,因此速度分量W逐渐增大。之后,气流在螺旋流道内作切向运动的同时又
7、不断向出口流出。由于斜坡壁面对气流切向运动的阻滞作用,W很快减小。而气流在螺旋流道中自然产生离心方向的分速U,在斜坡段内U较大。气流进入平顶段后,只有速度V保持比较大,而速图4螺旋流道平顶段内k35和k50截面上度U和W都下降很快。U和V合速度矢分布图5是通过气缸和气门两中心轴纵剖面内U和V的合速度矢分布。由图可见,在气道中产生螺旋运动的气流通过阀开启截面,沿着锥形气阀以旋转的锥形射流进入气缸。由于进气射流从气阀外缘分离,从而在阀盘下面产生明显的回流区,在截面上构成一对双旋图2i7j14上速度沿k向的分布图3和
8、图4分别示出了螺旋流道内k20和k28以及k35和k50截面上U和V合速度矢的分布。由图3可见:(1)速度矢量从截面上部向出口方向逐渐增大,其中轴向分量增大较快;(2)比较两个截面的分布可知,由于顶面斜坡迫使气流拐向出口,因此速度矢依次增大,其中主要是轴向速度分量V增大;(3)在出口处的轴向速度V沿径向分布是不均匀的,因此流量沿径向分布也是不均匀的,即靠流道外侧的流量较大。图4所示的分
