基于Fluent的柴油機(jī)進(jìn)氣歧管流動(dòng)模擬
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侯明凱，張福生，宋元嶺
（太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）
摘要：以某型號(hào)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，利用Workbench建立兩種類型進(jìn)氣歧管的三維簡化模型并劃分網(wǎng)格，然后在Fluent中分析求解，得到氣體的壓力云圖和速度矢量圖。比較這兩種結(jié)構(gòu)的流動(dòng)狀態(tài)可知，進(jìn)氣管位于進(jìn)氣總管的中間時(shí)，歧管內(nèi)的氣體流通性較均勻，并且沒有回流產(chǎn)生，這樣可有效提高柴油機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，減少有害物的排放；而當(dāng)進(jìn)氣管位于進(jìn)氣總管的一側(cè)時(shí)，4個(gè)歧管內(nèi)的流通性很不均勻，且有回流產(chǎn)生。
關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；進(jìn)氣；流動(dòng)；Fluent 中圖分類號(hào)：TP391.7：U464. 172
0 引言
柴油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)主要由空氣濾清器、進(jìn)氣管、空氣流量計(jì)、進(jìn)氣壓力傳感器和進(jìn)氣歧管等組成。進(jìn)氣歧管是進(jìn)氣系統(tǒng)的主要部件，其作用是將干凈的空氣均勻地分配到氣缸中，用以提供燃油所需的氧氣，使進(jìn)入氣缸內(nèi)的空氣量和柴油機(jī)的充氣效率有一定的規(guī)律。進(jìn)氣系統(tǒng)的工作狀態(tài)是比較復(fù)雜的，進(jìn)氣歧管的布置形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)、內(nèi)部氣體的流通性和均勻性對(duì)柴油機(jī)的充氣效率、進(jìn)氣阻力、缸內(nèi)混合氣運(yùn)動(dòng)、燃燒過程和廢氣的排放有著重要的影響，從而影響柴油機(jī)的動(dòng)力性、排放性和燃油經(jīng)濟(jì)性。本文以某型號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，分析不同結(jié)構(gòu)型式的進(jìn)氣歧管對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。
1 進(jìn)氣歧管有限元模型的建立
1.1 建立進(jìn)氣歧管三維模型
利用Workbench建立兩種類型進(jìn)氣歧管的三維模型，如圖1所示。
1.2 網(wǎng)格劃分
建立了兩種類型進(jìn)氣歧管三維模型后，采用四面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。
2 條件設(shè)置及模擬結(jié)果分析
2.1 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)
本文研究的某型號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。
2.2條件設(shè)置
柴油機(jī)進(jìn)氣歧管形狀比較復(fù)雜，流線變化較大，氣體在歧管內(nèi)的流動(dòng)多表現(xiàn)為湍流特性，不同的湍流模型對(duì)進(jìn)氣歧管內(nèi)空氣流動(dòng)的分析結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。湍流模型很多，常見的有單方程( Spalart-Allma-ras)模型、k--ε（標(biāo)準(zhǔn)）模型、雷諾應(yīng)力(RSM)模型和大渦模擬(LES)模型等，本文采用k--ε（標(biāo)準(zhǔn)）模型 本文在Fluent中進(jìn)行分析求解，入口設(shè)置為速度人口，速度設(shè)置為15 m/s，入口和出口的湍流參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置，入口溫度T=298 K;出口設(shè)置為壓力出口，主要是因?yàn)槠绻軆?nèi)的氣壓與大氣壓有較大差別，設(shè)置為壓力出口更符合實(shí)際情況。
2.3模擬結(jié)果
當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到進(jìn)氣行程的下止點(diǎn)時(shí)刻，進(jìn)氣口邊界為1個(gè)大氣壓時(shí)（此時(shí)忽略重力的作用），經(jīng)過182步的迭代計(jì)算，結(jié)果收斂，符合要求，觀察4個(gè)歧管的流通情況。進(jìn)氣管位于進(jìn)氣歧管中間的壓力云圖如圖3所示，速度矢量圖如圖4所示。進(jìn)氣管位于進(jìn)氣歧管一側(cè)的壓力云圖如圖5所示，速度矢量圖如圖6所示。
2.4結(jié)果分析
由圖3和圖5可知，進(jìn)氣管位于進(jìn)氣歧管中間時(shí)，進(jìn)氣管兩側(cè)岐管內(nèi)的壓力呈對(duì)稱分布；而當(dāng)進(jìn)氣管位于進(jìn)氣歧管的中間時(shí)，進(jìn)氣總管內(nèi)的壓力分布不均，導(dǎo)致4個(gè)岐管內(nèi)的壓力相差較大；這兩種類型的進(jìn)氣歧管中，在進(jìn)氣總管與歧管的過渡處，由于角度的急劇變化，均出現(xiàn)了真空狀態(tài)。
由圖4和圖6可知，進(jìn)氣管位于進(jìn)氣岐管的中間時(shí)，進(jìn)氣管兩側(cè)歧管內(nèi)的氣體速度呈對(duì)稱分布，流動(dòng)均勻；當(dāng)進(jìn)氣管位于進(jìn)氣岐管的一側(cè)時(shí)，靠近進(jìn)氣管的歧管內(nèi)氣體流動(dòng)速度較大，遠(yuǎn)離進(jìn)氣管的岐管內(nèi)氣體流動(dòng)速度較小，氣體流動(dòng)性較差。
3結(jié)束語
本文通過Fluent軟件對(duì)兩種類型的進(jìn)氣歧管的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了模擬分析，進(jìn)氣管位于進(jìn)氣總管的中間時(shí)，岐管內(nèi)的氣體流動(dòng)比較均勻，并且沒有回流產(chǎn)生，有利于提高柴油機(jī)的動(dòng)力性和燃燒質(zhì)量。但歧管內(nèi)過渡處角度的急劇變化需要優(yōu)化，以避免真空的產(chǎn)生，影響氣體的流動(dòng)性。目前研究進(jìn)氣歧管的流通性的方法主要有試驗(yàn)研究方法和軟件仿真方法，本文通過Fluent軟件模擬仿真得到相應(yīng)結(jié)果，既可以節(jié)省時(shí)間和資金的投入，又得到了合理的結(jié)果。
