提升发动机性能：CFD的柴油机排气道仿真设计

1、概"述

进排气系统对发动机的充气效率和换气损失有重要影响，进而影响发动机的动力性和经济性。尤其是当排气道设计差，流动阻力过大时，排气过程气缸压力下降缓慢，排气不畅，活塞在向上止点运动强制排气时，将大大增加排气冲程消耗的活塞推出功，造成发动机的性能下降。在某柴油机提升功率的优化设计中，虽然对发动机各个系统进行了优化，但发动机性能仍未达到预定指标，重新排查各系统发现:排气道存在性能瓶颈，对排气道的优化设计的要求突显。传统模式下对排气道的改进方法是反复在试验台上进行对比试验，耗时耗力。通过仿真计算对排气道进行可视化研究，不仅能够获得气道、气门等结构参数对流动宏观特性的影响，而且可以得到气道流场的大量微观信息，从而建立气道形状与通流特性的关系，直观地显示出流动结构的不合理之处，找到排气道中设计不合理的结构，使气道的改进更有针对性，减小排气损失，便发动机性能有了进一步提升。

2、建模与计算

使用造型软件UG建立排气门和排气道几何模型，并掏取内腔作为计算流体域，然后以stp格式导人ICEM软件中对气道流体域进行网格划分。网格质量对仿真结果有决定性的影响，它不仅对计算时间和收敛速度有重要影响，而且还影响计算精度。因此对气门和喉口部位进行了网格加密以提高网格质量。网格以四面体网格为主，网格总数在70万左右，排气道流体域和网格模型如图1所示。

对排气道的仿真基于有限体积法，进出口均采月压力边界条件：进口压力为0，出口压力-5(m32$Pa即进出口压差为50OOPa；壁面采用绝热无滑移过界条件;采用肛，双方程湍流模型计算主流区域川流动，在近壁区采用标准壁面函数处理。

3、试验与仿真结果比较

为与仿真计算结果进行比较，在稳流试验台上进行了气道试验，得到了不同气门升程下的排气谴流量，并计算了排气道的无量纲流量系数，通过沂量系数来评价排气道的流通能力。

流量系数片

其中m而为实际质量流量：

为理论质量流量;NV为气门数;DV为气门座圈呐径;Δρ为压差;p为缸内空气密度。

定义流量系数的误差为：

其中:ms为仿真流量系数;ms为试验流量系数。

排气道流量系数试验和仿真结果及其误差如另1所示。

试验和仿真得到的流量系数存在一定的差异尤其是在气]升程较小时差别更大，在2mm气门"升程时流量系数差异甚至达到了-15.3%。这是医为气门升程很小时，试验和仿真获得的流量都私小，较小的差异就会引起较大的误差;虽然试验韦仿真的误差较大，但是两者的绝对误差其实并刁大。随气门升程增大，试验与仿真流量系数的差射都在5以下，可以认为试验与仿真流量系数具苇较好的一致性。

从表1还可以看出:无论试验还是仿真的排气道流量系数都很小，即使气门升程达到l2mm时，流量系数也只有33%左右，说明原始排气道设计并不合理，排气道性能有很大的提升潜力。

4、CFD流场分析

仿真不但获得了排气道的性能信息，还得到了排气道的压力分布和速度分布等信息。10mm气「]升程时的排气道截面流速矢量如图2所示。

从图2可以看出，排气道喉口和排气管脊突这两个部位流速较高，气流在这两个部位因流道截面剧烈变化造成气流运动方向和速度发生变化，就是这两个部位阻碍了排气过程的顺利进行，对排气道的改进也主要以改进这两个部位的流动特性为目标小。