发动机进气系统的CFD分析及实验研究.doc

硕士学位论文发动机进气系统的 CFD 分析及实验研究THE ANALYSIS AND EXPERIMENTAL STUDY OF THE ENGINE INTAKE SYSTEM BASED ON CFD郭伟哈尔滨工业大学 2012年 7月国内图书分类号:U464.134+.4 学校代码: 10213 国际图书分类号:629密级:公开工程硕士学位论文发动机进气系统的 CFD 分析及实验研究硕士研究生:郭伟 导 师:罗丽君 副教授 申请学位:工程硕士 学科:车辆工程 所 在 单 位:汽车工程学院 答 辩 日 期: 2012 年 7 月 授予学位单位:哈尔滨工业大学Classified Index: U464.134+.4 U.D.C: 629Dissertation for the Master Degree in Engineering THE ANALYSIS AND EXPERIMENTAL STUDY OF THE ENGINE INTAKE SYSTEM BASED ON CFDCandidate : Guo Wei Supervisor : Associate Prof. Luo Lijun Academic Degree Applied for : Master of Engineering Vehicle Engineering Specialty : College of Automobile Engineering Affiliation : July, 2012 Date of Defence : Degree-Conferring-Institution : Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘 要 发动机进气歧管与进气道是发动机进气系统的重要组件之一,其进气性能的好坏将直接影响发动机缸内可燃混合气的形成及燃烧火焰的传播。因此,一台性能优良的发动机离不开良好的发动机进气歧管与进气道形状。 在传统的进气系统的设计过程中,主要依靠设计人员经验以及稳流实验,但这种方法周期长、成本高,因此,本文使用 CFD的方法对发动机的进气系统进行分析,为进气系统的结构设计和改进提供依据。本文使用新一代流体分析软件STAR-CCM+对发动机进气歧管及进气道内的气体流动进行了计算。首先,使用90°T 形管模型验证了网格形状、边界层的划分以及模板方向对计算结果的影响,为仿真计算过程中网格划分提供依据。其次,对某两台发动机的进气歧管分别进行建模计算,分析歧管内的流场分布以及压力损失,并将计算流量与实验结果进行对比验证。昀后,对某发动机螺旋进气道模型进行了三维模拟,分析缸内压力、速度分布以及湍动能的分布,然后获取流量、涡流比数据与实验结果进行对比,验证 CFD 模拟计算发动机进气道的准确性。 研究结果表明:在 CFD计算过程中,不同的网格形状、边界层层数以及模板方向都会对计算结果产生影响,采用正六面体网格、边界层两层的网格划分方式能够较快收敛且有比较高的计算精度;通过对进气歧管的计算发现,计算结果能充分反映歧管内的流场信息,在入口与稳压腔连接处、稳压腔与支管连接处速度与压力发生突变,符合流体力学的基本理论,将计算流量、压降等与实验结果进行对比,计算与实验存在一定误差,主要原因是实验设备的误差及计算模型与实验模型之间可能存在误差;对进气道进行 CFD计算,分析缸内流场信息,将计算流量及涡流比与实验结果进行对比,两者之间误差低于 5%,充分验证了 CFD 计算的可靠性。 本文通过对发动机进气系统的 CFD数值模拟计算与稳流实验相结合,验证了CFD 计算的准确性,为发动机进气系统的设计及结构优化提供了一种快速、有效的方法。关键词:进气歧管;进气道;流场分析;实验验证I 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 Abstract The engine intake manifold and intake port are important components of the engine air intake system. The performance of the system will directly influence the formation of the inflammable mixture and the spread of the combustion flame in the cylinder. Therefore, an excellent engine need to design good engine intake manifold and intake portIn the traditional design process of air intake system, it mainly rely on the personal experience and the steady flow experiment, but this method need long time and high cost. Therefore, the CFD method is used to analyse the flow field of the engine intake system to provide the basis for the design and improvement of the structure of the air intake system. The air flow in the intake manifold and intake port was calculated in the thesis by using the fluid analysis software STAR-CCM+. Firstly, a 90° T-junction model was used to validate the effection of the grid model, the boundary layer and the direction of the template on the calculated results, it provides the basis for meshing in the simulate calculation process. Secondly, three-dimensional geometric model of two engines intake manifold was established and simulated, then further analysis about the flow field and pressure loss was done and the difference of the mass flow rate between the simulation and the experiment was compared. Finally, three-dimensional geometric model of engines intake port was established and simulated, then the distribution of the pressure, velocity and turbulent kinetic energy was analysed. Also, the mass flow rate and swirl ratio data was obtained and compared with the experimental results to verify the accuracy of the simulationThe results of the study showed that: In the process of the CFD simulation, different grid shapes, boundary layers and the direction of the template will effect the calculation results, the positive hexahedral grid, two boundary layer grid mesh could be converged faster and get higher calculation accuracy; through the calculation of the intake manifold, we found that the calculation results can fully reflect the information of the flow field in the manifold, the pressure and the velocity change fiercely in the port between the entrance and the pressure stabilizing cavity and the port between the pressure stabilizing cavity and the branch pipe. The result complied with the basic theory of fluid mechanics. Compared the results of the calculation and the experiments, we found some deviation. The main reason is the accuracy of the experimental equipment and the difference between the calculation model and the experimental model. Analysed the result of the CFD simulation of the intake port and compared the swirl ratio between the simulation and the experiment, we found that the deviation was II 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 less than five percent. We fully verified the reliability of the CFD simulationThe accuracy of the CFD calculation was verified in the thesis through the comparison of the CFD simulation and the steady flow experiment of the intake systemA quick and effective research method for the design and structure improvement of the intake system is proposed in the thesis Keywords: intake manifold, intake port, flow field analysis, experimental verification III 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 目 录 摘 要?I Abstract ? II 第 1 章 绪 论 ? 1 1.1 课题背景及研究意义 ? 1 1.2 国内外研究现状 ? 2 1.2.1 国外研究现状? 2 1.2.2 国内研究现状? 3 1.3 本文研究内容 ? 4 第 2 章 计算流体动力学的数学模型? 6 2.1 流体动力学控制方程 ? 6 2.1.1 质量守恒方程? 6 2.1.2 能量守恒方程? 7 2.1.3 动量守恒方程? 7 2.2 控制方程的离散方法 ? 8 2.3 流场的求解方法 ? 10 2.4 湍流模型简介及分类 ? 11 2.4.1 湍流数值模拟方法简介? 11 2.4.2 标准- 模型? 13 2.5 本章小结? 14 第 3 章 网格划分及模板方向? 15 3.1 网格划分? 15 3.2 边界层的设定 ? 19 3.3 模板方向的选择 ? 21 3.4 本章小结? 23 第 4 章 进气歧管的仿真计算与实验验证 ? 24 4.1 D20VVT进气歧管的仿真分析与实验验证 ? 24 4.1.1 三维模型的建立与导入? 24 4.1.2 网格划分及边界条件的确定? 24 4.1.3 计算结果分析? 25 4.1.4 实验验证 ? 33 IV 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 4.2 B4L13进气歧管的仿真分析与实验验证? 34 4.2.1 三维模型的建立及网格划分? 34 4.2.2 计算结果分析? 35 4.2.3 实验验证 ? 40 4.3 本章小结? 42 第 5 章 发动机进气道的仿真计算与实验验证 ? 43 5.1 三维模型的建立与网格划分? 43 5.2 计算结果分析 ? 43 5.3 实验验证? 48 5.4 本章小结? 51 结 论? 52 参考文献 ? 53 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明? 57 致 谢? 58V 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第1 章 绪 论 1.1 课题背景及研究意义 自十九世纪内燃机被发明以来,它在人类社会文明进步尤其是汽车工业的发展过程中起到了不可替代的作用。由于能源问题与环境问题的日益突出,人们一直在探索研究清洁高效的动力装置,但到目前为止,仍然没有任何一种全新的动力装置能够代替内燃机。由于内燃机所特有的优点,可以预测,在今后相当长的1一段时期内,内燃机在动力装置中仍然具有不可替代性 。随着我国汽车制造业的快速发展,截至 2011 年 11 月,国内汽车保有量已经突破一亿辆,使我国成为世界第一大汽车产销国和仅次于美国的世界第二大汽车保有国。专家估计,我国将逐渐进入汽车社会,到 2020年,我国汽车将突破两亿辆的保有量水平。汽车产业作为国民经济的支柱产业,它的快速发展极大地推动了国民经济的发展,拉动了经济增长与就业需求。但与此同时,汽车产业的快速发展也加剧了能源与环境污染等诸多问题。在整个“十一五”期间,我国每年因汽车保有量的增长而增加的石油消耗高达 3000万吨,每年仅新增的汽车就吃掉全部新增的炼油能力。快速增加的汽车保有量,已经对国内燃油供应带来巨大压力,并且随着我国汽车保有量的急剧增加,汽车尾气在许多大城市也已经成为大气污染的主要污染源。根据环境保护部门的调查数据显示,截至 2010年,在全国有五分之一的地级以上城市空2气质量不达标 。随着我国汽车保有量的快速增加,对城市规划、道路建设等也提出了巨大的挑战。为了有效应对这些挑战,汽车发动机的性能必须进一步提高,以应对日趋严格的管理法规。这就要求我们通过研究进一步提高发动机的经济性与排放性。 大量研究结果表明,气缸内的混合气是否充分燃烧对发动机的动力性、经济性以及排放性有着决定性的影响。因此,改善发动机缸内混合气的燃烧质量,是提高发动机性能的主要途径之一。发动机进气系统的性能好坏直接影响气缸内混合气的形成质量以及燃烧火焰的传播速度,而进气歧管与进气道的结构是影响发动机进气性能的两个重要因素。进气歧管是发动机进气系统昀重要的组件之一,其进气均匀性将影响发动机缸内空气充量大小和进气涡流强度,进而影响燃烧过3程的组织,造成各缸燃烧过程的差异,从而对发动机的整体性能产生重要影响 。进气道是进气系统的另一个重要组成部分,其结构比较复杂,对缸内的空气流量及涡流比有着重要影响,而选择适当的进气流量与缸内涡流比,能很好地改善发-1- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 4动机的性能 。 在发动机进气歧管与进气道的设计过程中,由于进气歧管与进气道的结构相对复杂,设计者大都采用稳流实验来评价进气歧管与进气道的性能,然后根据所积累的经验反复进行结构优化。由于这种方法对设计者的经验有很大的依赖性,并且有周期长、价格昂贵等缺点,而且实验方法只能获取流场的流量、压差等宏观特性,不能反映流场内部的详细特征,不能为进气系统的结构优化提供充足的5信息,因此,科研人员提出了 CFD 计算的方法 。CFD 计算的方法能够提供进气系统内每一点的详细信息,而且随着计算机技术的提高,CFD 技术的计算结果更加可靠,能够为进气系统的设计者提供更加有力的设计依据。 一台性能优良的发动机,进气歧管与进气道的设计是关键因素之一。而想要设计高性能的进气歧管与进气道,就要对它们内部的流场信息有充分的了解。因此,通过 CFD计算获取进气系统内的详细流场信息就成为设计过程中一个重要的6步骤 。 1.2 国内外研究现状 在内燃机设计过程中,进气歧管与进气道的设计是决定发动机进气性能好坏的关键因素之一。发动机进气时的进气效率以及缸内气体的流动状态对发动机的动力性、经济性等有重要影响,为了提高发动机性能,科研工作者针对发动机的7进气系统展开了大量 CFD研究,以期获得较好的进气系统形状与结构 。 1.2.1 国外研究现状 气缸内空气运动的状态对内燃机的性能有决定性的影响,而气缸内空气的运动又主要受进气系统的结构影响。因此,研究人员针对进气系统的主要研究目的就是设计有利于组织缸内燃烧的进气系统结构。国外针对发动机进气系统及气缸8内气体流动的数值模拟开始于二十世纪七十年代初 。1973年,Watkins 首先使用有限差分法对控制方程进行离散,然后求解流体流动时的离散方程组。1978年,英国帝国理工学院 /.man 与美国科学家 /.te 共同提出了发动机进气道9及缸内气体流动的数值模拟理论以及相关研究方法,并由此进行了深入研究 。1984 年,Gosman 和 Watins 等人为研究气缸内混合气运动状态与燃烧室形状之间的关系,采用 - 双方程模型对具有不同燃烧室形状的缸内气体的运动进行了数值模拟计算,并将模拟计算结果与实验进行了对比。1987年,Gosman 和 Ahmed继续采用 - 模型对整个进气系统中气体流动状态进行稳态数值模拟计算,并通过计10算获取了不同气门升程下气门处的流量系数以及气流平均速度等 。研究结果表-2- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 明:采用这种计算方法,当气门位于小升程时,气缸内的流动的计算结果比较理想,与实际情况基本相符。但是当气门升程逐渐增大时,预测结果与实际有较大出入,气体的湍流特性在不同的气门升程下存在着明显差异。经过分析发现,这种差异是由于计算时选取的湍流模型不恰当所造成的。 二十世纪八十年代末出现了对发动机进气系统进行三维流动数值模拟研究的高潮。Shigeki Sugiura等人为了分析进气道结构形状对进气流量以及缸内流场的影11响,对进气道?气门?气缸整个系统进行了三维模拟计算 。计算结果表明:在进行计算时,考虑气门杆的影响要比不考虑气门杆的影响的计算结果精确,更加符合实际情况。因此,在进气系统的模拟计算过程中,气门系统会对计算结果产生很大影响,必须将其考虑在内。1990 年,Ken Naitoh 等人对四气门发动机的进12气系统及气缸内的气体流动进行了三维模拟 。该计算过程采用 SIMPLE 算法,计算结果显示缸内涡流尺寸可以小于网格尺寸,进一步表明了进气系统及缸内流场的复杂性。1992年,Tang-Wei Kuo等人采用粒子阻滞技术对气门运动进行处理后,使用修改后的 KIVA 程序对切向进气道和气缸内的流体运动状态进行了瞬态13模拟计算 。1994年,Zellat和 Godrie等人使用 STAR-CD软件对两种不同结构的发动机进气道内的气体流动进行了三维稳态模拟计算。1995年,Kang Y.Huh 等人使用 I-DEAS 软件对计算模型划分结构化网格,采用 - 模型,使用改进后的KIVA- 程序在大型计算机上对螺旋进气道和气缸内的空气运动状态进行了三维14稳态数值模拟计算 。计算结果表明:稳流实验所获取的涡流比虽然与发动机的工作状态的三维流动有所不同,但是通过计算获取涡流比是可行的。为了能够全面掌握空气在发动机整个进气系统内的流动情况, William Taylor对包括进气歧管、进气总管、进气道以及气缸在内的整个进气系统进行了计算,计算了在不同气门15升程时整个进气区间的总压损失以及各组件的压力损失大小 。由于稳态流动比较容易研究,而且基本能够正确反映缸内的气体流动状态,并且如果对气门升程做适当的调整,采用稳态模拟计算所获取的涡流运动状态基本可以表征瞬态时的16涡流运动状态。因此,进行稳态流动三维数值模拟及实验研究仍具有现实意义 。 综上所述,通过近 40年的研究,并且随着计算机技术、发动机排放学和燃烧学的发展,CFD 模拟已经从二维发展到三维。通过大量的计算与实验研究,国外对湍流模型的选取、数值模拟方法以及网格的划分、边界条件的处理等 CFD模拟的核心技术已基本掌握。 1.2.2 国内研究现状 国内针对内燃机工作过程中进气流动方面的数值模拟研究要比国外稍晚,始-3- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 于上世纪八十年代中后期。1989年,吉林工大的孙济美使用修正后的 - 模型对进气道内的流场进行了计算,并与实验结果进行了对比,发现修正后的计算模型对17气道内流场的预测精度有很大提高 。1995 年,大连理工大学出版内燃机计算燃烧学专著,该书详细阐述了缸内轴对称二维流动的数值模拟方法,并对二维燃烧18模型、喷雾模型进行了模拟 。华中理工大学的杨玟在1998年采用标准 - 双方程湍流模型对螺旋进气道?气门?气缸内的气体流动进行了模拟计算,系统的阐19述了发动机气道稳流实验时气体流动的特征 。常思勤、刘雪洪等人为分析进气道的性能评价方法,将气体当作粘性可压缩气体,采用 SIMPLE 算法,运用有限20体积法进行网格划分,对螺旋进气道进行了模拟计算 。北京理工大学的王樵等人为了验证利用模拟计算获取进气门处的流量系数的准确性与可行性,使用FLUENT软件,采用标准 - 模型对某发动机的进气道进行了三维稳态模拟,通过计算获取流量系数并将其与稳流实验的结果进行对比。华中科技大学的罗马吉等人对包括进气接管、进气歧管以及进气道等在内的多缸发动机的进气系统进行了模拟计算,分析了不同缸进气时发动机进气管内的流动特性以及各个出口处的流21量系数和质量流量,用来研究不同气缸的进气均匀性问题 。 虽然我国针对发动机进气系统的 CFD研究起步较晚,但我国科研人员不断探索并消化吸收国外的先进经验,开发了一系列适用于内燃机的数值模拟程序,例如:北京理工大学开发的 RES3D- 、中国科技大学的 IPIC-CFD以及吉林大学开22,23,24发的 SUN- 等 。当然,与国外的先进水平相比,我们还存在着较大的差距,主要表现在:针对进气系统的模拟大多停留在稳态阶段,很少有人对其进行瞬态模拟;在现有的瞬态模拟中,对气门模型的处理不够完善,没有对气门自由布置时的情况进行研究。 综上所述,国内外针对发动机进气系统的模拟正在不断完善,并且模拟结果越来越趋近于发动机实际工作工程中的气体流动状态。 1.3 本文研究内容 在查阅了大量的相关文献之后,本文主要展开了以下工作: (1)对 CFD 计算时网格划分及模板方向对计算结果的影响进行了研究。以90°T形管为研究对象,使用 STAR-CCM+软件对 CFD计算的几个主要影响因素(网格划分、边界层的设定以及模板方向等)进行了探讨,为接下来的仿真计算提供依据。 (2)对两种不同的发动机进气歧管进行 CFD计算。使用 STAR-CCM+软件对进气歧管三维模型进行六面体网格划分,模拟不同压差下发动机进气歧管内的流-4- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 动情况,分析压力场、速度场在进气歧管内的分布,监测进气歧管内的流量、进气阻力等数据。 (3)对某发动机的螺旋进气道进行了 CFD 计算。对不同气门升程下的缸内压力场、速度场以及湍动能的分布等进行分析,并且通过编程获取缸内涡流信息,计算涡流比与平均流量。 (4)将进气歧管与进气道的计算结果与实验结果进行了对比分析。将进气歧管和进气道的模拟计算结果与实验结果进行对比,验证计算结果是否达到计算精确性的要求,验证 CFD模拟计算的可靠性和精确性。 -5- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第2 章 计算流体动力学的数学模型 目前,大部分的