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摘要 介绍了发动机螺旋进气道参数化设计的方法，使用Pro/E软件建立了螺旋进气道的三维模型，实现了螺旋进气道在不同气门升程下的参数化设计。应用Star-CD分析软件对螺旋进气道内的气体流动进行数值模拟计算，得到不同气门升程下气道及缸内流体的速度场和压力场分布图，计算出螺旋进气道的涡流比和流量系数，可以为螺旋进气道的改进设计提供指导。
关键词：发动机；螺旋进气道；参数化设计；数值模拟；Star-CD
引言
螺旋进气道对发动机的混合气形成与燃烧等方面有着重要作用[1-2]。缸内形成的气体流动将直接影响混合气的形成和发动机燃烧过程中火焰的传播速度、燃烧的稳定性[3]，进而影响发动机的燃油经济性和排放水平[4]。通过数值模拟计算分析进气道的性能，可以直观地了解气体在进气道和缸内的流动状况，并对不同气门升程下缸内的气流速度和压力进行了分析。
1 数学模型
湍流中的物质扩散受流体平均运动的对流和湍流扩散两个过程所控制，所用于预测的数学模型，必须正确地描述平均流场和湍动能扩散的特征。本文主要对不同气门升程下进气道和缸内流场进行分析，气流进入气缸时可不考虑流体与外界的热交换，因此其流体力学特性可以用连续性方程和动量守恒方程来描述[5]。
连续性方程
（1）
式中： ——时间； （j=1，2，3）——坐标； ——气体密度； ——气流速度在三个坐标上的分量。
动量守恒方程
（2）
式中：P——气体压力； ——作用在与 方向相垂直的平面上的 方向上的应力；“—”——表示平均； ——重力加速度。
2 数值模拟计算
2.1 进气道和气缸的三维模型建立及网格的划分
采用Pro/E软件作为螺旋进气道的参数化建模平台，建立三维模型，然后用Star-CD对三维模型进行网格划分，生成六面体非结构化网格，网格数约为50～60万个，由图1所示。计算网格的生成是发动机内气体流动数值模拟的重要组成部分，由于网格质量的好坏直接关系到迭代计算的稳定性及计算结果的可靠性，因此网格质量的优劣是影响数值模拟计算成功与否的关键因素。
图1 计算网格模型
2.2 初始边界条件的设置
将空气视为不可压缩理想气体，应用标准 模型。进出口采用压力边界条件[6]，根据经验给定压差为2500Pa，取出口处为参考点，该处相对压力为0，绝对压力98800Pa。入口边界和出口边界都设为Pressure。固定壁采用绝热无滑移边界条件；温度壁面边界采用定温条件，温度设定为298K。
2.3 求解参数
采用稳态计算模式，差分格式选择二阶精度迎风差分格式，最大迭代次数设为2000次，收敛标准都设为0.001，监控点为气缸底部中心网格，最后达到收敛并使计算结束。
3. 计算结果处理及分析
3.1 流场速度分析
图2显示出了气门中心坚直截面在不同气门升程下的速度场分布。从图中可以看出，随着气门升程的增大，该截面的最大速度增大，分别是78.16m/s，123.9m/s，140.1m/s。在气门盘和气缸顶部下方产生的顺时针回流也逐渐增大，这也是形成进气阻力的主要原因。由图可知，气门升程较小时，气缸的上部形成的滚流不太明显，当气门升程增大时，在该处就会形成明显的滚流，这对于缸内混合气的形成是非常有利的。
图2 不同气门升程下的速度场分布
3.2 流场压力分析
图3显示出了气门中心坚直截面在不同气门升程下的压力场分布。从图中可以看出，在进气道的入口部分是整个流场中压力最大的部分，且压力变化很小，随着气门升程的增大而增大。在气道的螺旋部分，气体压力显著下降，因此，螺旋部分是气体压力损失的主要区域。当气门升程较小时，整个流场的压力损失主要集中在进气门出口附近，其损失主要是由气门的阻碍作用引起的。此时缸内气流主要集中在气缸壁附近，说明气缸壁对气流有导向作用。
图3不同气门升程下的压力场分布
4 计算不同气门升程下的涡流比和流量系数
通过Star-CD的宏命令计算出不同气门升程下的涡流比，再通过公式计算出流量系数，由图4所示。从图中可知，随着气门升程的增大，涡流比和流量系数都逐渐增大。
流量系数 表示流过气门座的实际空气流量与理论空气流量之比[7]。表达式如下：
（3）
式中： ——实际空气流量， ； ——理论空气流量， 。
图4
结 论
应用Star-CD对螺旋进气道不同气门升程进行数值模拟计算可以得出，随着气门升程的增大，在气门中心竖直截面上的最大速度增大，而且最大速度出现的位置逐渐上移。随着气门升程的增大，过气门中心竖直截面的最大压力增大，且出现在气道进口处。随着气门升程的增大，进气道的涡流比和流量系数都逐渐增大。这表明通过数值模拟分析可以直观地了解气体在进气道和缸内的流动状况，并反映出在不同气门升程下气道及缸内的气流速度和压力的分布规律，可以为螺旋进气道的改进设计提供指导，且有助于发动机的前期设计与分析，大大缩短发动机的开发周期。
参考文献
[1] 常思勤， 刘雪洪， 何小明. 螺旋进气道的三维造型设计研究. 南京理工大学， 武汉汽车工业大学， 2000
[2] 蒋炎坤， 罗马吉， 钟毅芳. 二行程发动机换气过程数值模拟的研究[J]. 车用发动机， 2000
[3] 韩君， 苏铁熊， 王家雄等. 发动机螺旋进气道的参数化设计及数值模拟.中北大学， 中国北方发动机研究所. 2011
[4] 周龙保. 内燃机学[M]. 北京： 机械工业出版社， 1999
[5] 王志， 黄荣华. 螺旋进气道CAD/CFD优化设计方法的研究. 小型内燃机与摩托车. 2003
[6] 陈可， 文代志， 张洪涛， 周雯芸. 内燃机不同气门升程下气缸内流场分析. 广西： 广西工学院， 2011
[7] 韩运动.柴油机进气道CFD计算分析[D].大连：大连交通大学，2010
关键词：发动机；螺旋进气道；参数化设计；数值模拟；Star-CD
引言
螺旋进气道对发动机的混合气形成与燃烧等方面有着重要作用[1-2]。缸内形成的气体流动将直接影响混合气的形成和发动机燃烧过程中火焰的传播速度、燃烧的稳定性[3]，进而影响发动机的燃油经济性和排放水平[4]。通过数值模拟计算分析进气道的性能，可以直观地了解气体在进气道和缸内的流动状况，并对不同气门升程下缸内的气流速度和压力进行了分析。
1 数学模型
湍流中的物质扩散受流体平均运动的对流和湍流扩散两个过程所控制，所用于预测的数学模型，必须正确地描述平均流场和湍动能扩散的特征。本文主要对不同气门升程下进气道和缸内流场进行分析，气流进入气缸时可不考虑流体与外界的热交换，因此其流体力学特性可以用连续性方程和动量守恒方程来描述[5]。
连续性方程
（1）
式中： ——时间； （j=1，2，3）——坐标； ——气体密度； ——气流速度在三个坐标上的分量。
动量守恒方程
（2）
式中：P——气体压力； ——作用在与 方向相垂直的平面上的 方向上的应力；“—”——表示平均； ——重力加速度。
2 数值模拟计算
2.1 进气道和气缸的三维模型建立及网格的划分
采用Pro/E软件作为螺旋进气道的参数化建模平台，建立三维模型，然后用Star-CD对三维模型进行网格划分，生成六面体非结构化网格，网格数约为50～60万个，由图1所示。计算网格的生成是发动机内气体流动数值模拟的重要组成部分，由于网格质量的好坏直接关系到迭代计算的稳定性及计算结果的可靠性，因此网格质量的优劣是影响数值模拟计算成功与否的关键因素。
图1 计算网格模型
2.2 初始边界条件的设置
将空气视为不可压缩理想气体，应用标准 模型。进出口采用压力边界条件[6]，根据经验给定压差为2500Pa，取出口处为参考点，该处相对压力为0，绝对压力98800Pa。入口边界和出口边界都设为Pressure。固定壁采用绝热无滑移边界条件；温度壁面边界采用定温条件，温度设定为298K。
2.3 求解参数
采用稳态计算模式，差分格式选择二阶精度迎风差分格式，最大迭代次数设为2000次，收敛标准都设为0.001，监控点为气缸底部中心网格，最后达到收敛并使计算结束。
3. 计算结果处理及分析
3.1 流场速度分析
图2显示出了气门中心坚直截面在不同气门升程下的速度场分布。从图中可以看出，随着气门升程的增大，该截面的最大速度增大，分别是78.16m/s，123.9m/s，140.1m/s。在气门盘和气缸顶部下方产生的顺时针回流也逐渐增大，这也是形成进气阻力的主要原因。由图可知，气门升程较小时，气缸的上部形成的滚流不太明显，当气门升程增大时，在该处就会形成明显的滚流，这对于缸内混合气的形成是非常有利的。
图2 不同气门升程下的速度场分布
3.2 流场压力分析
图3显示出了气门中心坚直截面在不同气门升程下的压力场分布。从图中可以看出，在进气道的入口部分是整个流场中压力最大的部分，且压力变化很小，随着气门升程的增大而增大。在气道的螺旋部分，气体压力显著下降，因此，螺旋部分是气体压力损失的主要区域。当气门升程较小时，整个流场的压力损失主要集中在进气门出口附近，其损失主要是由气门的阻碍作用引起的。此时缸内气流主要集中在气缸壁附近，说明气缸壁对气流有导向作用。
图3不同气门升程下的压力场分布
4 计算不同气门升程下的涡流比和流量系数
通过Star-CD的宏命令计算出不同气门升程下的涡流比，再通过公式计算出流量系数，由图4所示。从图中可知，随着气门升程的增大，涡流比和流量系数都逐渐增大。
流量系数 表示流过气门座的实际空气流量与理论空气流量之比[7]。表达式如下：
（3）
式中： ——实际空气流量， ； ——理论空气流量， 。
图4
结 论
应用Star-CD对螺旋进气道不同气门升程进行数值模拟计算可以得出，随着气门升程的增大，在气门中心竖直截面上的最大速度增大，而且最大速度出现的位置逐渐上移。随着气门升程的增大，过气门中心竖直截面的最大压力增大，且出现在气道进口处。随着气门升程的增大，进气道的涡流比和流量系数都逐渐增大。这表明通过数值模拟分析可以直观地了解气体在进气道和缸内的流动状况，并反映出在不同气门升程下气道及缸内的气流速度和压力的分布规律，可以为螺旋进气道的改进设计提供指导，且有助于发动机的前期设计与分析，大大缩短发动机的开发周期。
参考文献
[1] 常思勤， 刘雪洪， 何小明. 螺旋进气道的三维造型设计研究. 南京理工大学， 武汉汽车工业大学， 2000
[2] 蒋炎坤， 罗马吉， 钟毅芳. 二行程发动机换气过程数值模拟的研究[J]. 车用发动机， 2000
[3] 韩君， 苏铁熊， 王家雄等. 发动机螺旋进气道的参数化设计及数值模拟.中北大学， 中国北方发动机研究所. 2011
[4] 周龙保. 内燃机学[M]. 北京： 机械工业出版社， 1999
[5] 王志， 黄荣华. 螺旋进气道CAD/CFD优化设计方法的研究. 小型内燃机与摩托车. 2003
[6] 陈可， 文代志， 张洪涛， 周雯芸. 内燃机不同气门升程下气缸内流场分析. 广西： 广西工学院， 2011
[7] 韩运动.柴油机进气道CFD计算分析[D].大连：大连交通大学，2010