缸内直喷汽油机进气道流动特性的数值模拟

应用计算流体力学软件converge建立了三维稳态流动计算模型；针对不同的网格模型和进气道压差计算边界条件，分别仿真分析了进气道的性能。研究结果表明，三维稳态模型计算得出的进气道滚流比、流量系数和试验结果吻合较好；而增加网格单元数量和改变进气道压差边界条件对进气道性能计算没有明显影响。

关键词：缸内直喷汽油机；进气道；三维模型；仿真分析

前言

缸内直喷汽油机的进气过程是非常复杂的三维流动，合理的气体流动组织对充气效率的提升、滚流比的增加、流量系数的增大至关重要。滚流比和流量系数是评价进气道的两个关键参数。气体流经进气道所产生的滚流比对决定着发动机燃烧速度的提升能力，而燃烧速度的提升能够有效提高发动机的热效率[1，2]。对缸内直喷汽油机进气道的滚流比和流量系数等性能参数进行研究具有重要意义[3，4]。

文章采用计算流体力学软件converge对一款缸内直喷汽油机的进气道性能进行了仿真计算研，研究了不同气门升程下进气道滚流比和流量系数的变化趋势，对不同网格单元数量和不同压差计算边界条件的计算结果进行了对比分析。

1 进气道滚流比和流量系数计算方法

进气道滚流比和流量系数是评价气道性能的两个基本参数，二者之间存在矛盾的折中关系。缸内直喷汽油机进气道设计需要保持一定流量系数的同时，尽可能提高滚流比。进气道滚流比和流量系数的计算方法如式（1）和式（2）所示。

2 进气道三维仿真结果

2.1 converge模型建立

converge软件专门应用于与发动机相关的多维流动模拟，主要包括发动机气道分析、缸内流动计算与燃烧过程计算等。文章所建立的converge进气道计算模型（图1和图2）的边界输入条件为：进口压力100000kpa；出口压力97500kpa；初始压力98000kpa；温度293.15K；湍流长度0.001m；初始湍动能1m2/s2。

2.2 仿真结果与试验结果对比分析

发动机在进气行程中，活塞下行，气门逐步打开，缸内形成负压，气流在气道的引导下形成有规律的流动，产生的滚流比可以保持到压缩行程末期破碎，为点火时刻火焰的传播提供充足的湍动能。采用所建立的进气道三维稳态仿真模型，计算了不同气门升程下（hv=1.00mm～9.50mm）的进气道性能。气缸轴线速度与平均速度的比值分布以及各个气门升程下的滚流比和流量系数如图3所示。

图4和图5给出了进气道滚流比和流量系数计算结果与试验结果的对比。从图3可以看出，所计算的滚流比趋势与试验结果相吻合较好，气门升程大于3mm时，计算结果与试验结果吻合更好，这主要是由于气门升程小于3mm时，流动不稳定性的增加导致计算模型出现偏差。而图4的流量系数计算结果和试验吻合较好，基本没有偏差。

同时，应用公式（1）和式（2）计算出了计算和试验的平均滚流比和平均流量系数，结果如表1所示。表1的结果表明，平均滚流比计算值与试验值误差为4.1%，而流量系数则为2.1%，这说明所建立的三维稳态计算模型能够较为精确的计算进气道的滚流比与流量系数。

3 计算边界条件对仿真结果的影响

在气道试验台上，测量气道滚流比时，采用的压差（△p）为2kpa，但在仿真计算中，过小的压差会导致流动不稳定，计算收敛性变差，因此研究了不同压差边界条件对滚流比计算结果的影响。同时，对不同的基本网格尺寸（basegrid）、自适应加密（AMR）、区域加密（Embedding）和边界层加密（Gridscal）指数对计算结果的影响进行了研究，结果如图6所示。

从图6可以看出，压差边界条件为2.7kpa、2.3kpa和2.5kpa时，气道的滚流比、轴向速度与平均速度比值分布没有明显变化；而且改变网格数量和加密指数，滚流比计算结果基本一致。这表明，压差在一定范围内变化不会影响滚流比，同时网格数量达到一定要求时，增加网格单元数，基本不影响计算结果。综合考虑计算时间和计算资源，选用压差2.5kpa、基本网格尺寸0.008mm、自适应加密（AMR）、区域加密（Embedding）和边界层加密（Gridscal）指数均为1的计算边界条件比较合理。

4 结论

（1）converge软件建立的三维稳态计算模型能够较为精确的模拟进气道性能，平均滚流比计算值与试验值误差为4.1%，而平均流量系数则为2.1%。

（2）进气道计算压差、网格单元数等边界输入条件对模型计算精度没有明显影响。

（3）采用进气道压差边界条件为2.5kpa，网格基本尺寸为

0.008mm，自适应、区域加密和边界层加密指数均为1的网格参数能够在保证计算精度的同时，节省计算时间和计算资源。

参考文献

[1]蒋德明.高等车用内燃机原理[M].西安：西安交通大学出版社，2006.

[2]杨嘉林.车用汽油机发动机燃烧系统的开发[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]张小矛，高卫民，辛军，等.进气道对缸内直喷增压汽油机性能的影响[J].内燃机工程，2006，29（4）：300-306.

[4]张小矛，信曦，杨洋，等.进气道和燃烧室形状对汽油机燃烧特性影响的预测[J].上海汽车，2016，8：40-45.

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