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[摘 要]柴油机进气道设计对整机工作性能有重要影响。进气道主要性能参数涡流比和流量系数是相互影响相互制约的，保证涡流比尽可能不变的情况下，提高流量系数，是当前气道优化的方向之一。通过数值模拟的方法，计算并优化DLH1110型柴油机螺旋进气道。相比原机，优化后的螺旋进气道Ricardo平均流量系数提高了2.41%。
[关键词]柴油机 螺旋进气道 数值模拟 流量系数 涡流比
中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0340-01
0.前言
在柴油机进气过程中，气缸的进气量及气流运动情况严重影响着燃烧过程，主要体现为过量空气系数及油气混合均匀程度，这些都会直接影响柴油机的功率、油耗、扭矩和排放等指标[1]。本文对DLH1110型柴油机的螺旋进气道进行了稳态CFD数值模拟计算，得到了气道流场分布情况及相关性能指标。以提升气道流通性能为目标，分析对比新设计三种方案与原机方案，为螺旋进气道的设计优化提供理论依据。
1.计算方法
1.1 气道性能指标
柴油机进气道性能指标，主要分为流通能力及涡流形成能力两个方面。对于流通能力，采用流量系数表示，即不同气门升程下的实际进气量与理论流过气门阀内径DV值等截面的空气流量之比；对于涡流形成能力，采用涡流比来表示，即不同气门升程下，涡流计转速与发动机转速之比[2]。本文的评价方法选用Ricardo方法，该方法不但考虑了气道本身及缸径，还考虑到气门的升程曲线，被国内大多数柴油机厂家采用。
1.2 气道计算几何模型
将DLH1110型柴油机螺旋进气道三维模型导入Hypermesh软件，并在Hypermesh软件中进行几何清理，提取气道流体区域几何面，并完善计算域几何模型。
本文参照原机方案S1，设计修改三种新方案S2–S4：S2增大蜗壳半径；S3增大蜗壳半径，同时增大导向段与气门室过渡处曲面曲率，气道出口直径增大至与气门座内径相等，使这些空间的流体域更大；S4在S3的基础上，缩小蜗壳半径，同时增大导向段与斜坡段过渡处最小截面积，这四种方案均进行相应几何处理后，输出stl格式的几何面网格供后续AVL-Fire使用
1.3 网格划分
在AVL-Fire软件中，导入处理好的stl格式几何面网格，生成关键特征线，应用软件自带FAME网格生成技术，生成以六面体网格为主的非结构网格。在气门座圈和气门接触处、气门边缘处等需要局部细化的区域，网格尺寸设置为0.75mm，进气道、进气门、气缸顶处的尺寸设置为1.5mm，其余部份尺寸设置为3mm，这样能保证网格过渡比较平缓，生成的网格计算易于收敛，最终生成的网格单元总数控制在70-80万。此外，在距离缸底110mm处建立网格集合，用于保存里卡多叶片区域。为方便之后描述，将气缸顶部圆心点设为坐标原点。
1.4 计算设置
本文稳态仿真边界条件按照试验台测量参数设定如下：
（1）入口边界：设定入口为大气环境，压力100KPa ，温度293.15K
（2）出口边界：出口为负压边界条件，压力为97.5K Pa。
（3）初始化：采用出口条件初始化整个流场。
流体介质为可压缩性空气，求解方程激活质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，湍流模型选择k-zeta-f方程，压力耦合方程采用SIMPLE算法求解，近壁面采用标准壁面函数描述壁面附近边界层流体速度、压力等的分布[4，5]。
2.计算结果与分析
2.1 气缸内部涡流的形成
在不同方案和气门开度下，气缸内部的流场都比较类似。图1为S1方案，气门升程为11.04mm时的流场迹线。气流经过螺旋进气道之后，一小部分会直接进入气缸，但是绝大部分气流在斜坡段旋转后，以着较高旋转动量的形式流进气缸，这是形成气缸内部涡流的根本原因。
2.2 流场速度分布
选定气门升程6mm和最大升程11.04mm，选取截面过气门中心线，且平行于YOZ的截面，不同方案下气缸内部的速度场分布云图如图5所示。
分析螺旋气道内流场，在导向段截面逐渐缩小，在斜坡段出现整个气道的最小截面， 气流速度逐渐上升，气流的角动量在斜坡段和平顶段内形成后，螺旋地流向气门口。气流通过气门座—气门开启截面，流动空间大大减小，气体被压缩，速度都得到较大提升，并沿着气门锥形表面以旋转的锥形射流进入气缸，不同方案下最大速度接近一致。分析气缸内流场，由于气流经过气门之后依然保持较高的冲量，而较高的冲量即射流速度又使气门下方形成负压区，进而卷吸来流，在气门下方产生明显的回流，形成大尺度逆时针滚流区域。由于气门偏置，在距离气缸壁的近侧，气流碰壁改变流动方向 ，壁面处形成快速流动的气流层。综合竖直方向射流、切向旋流、汽缸的壁面作用以及气门下方回流区的相互影响，缸内上半部分的气流比较紊乱，缸内下半部分，气流之间的扰动作用已逐渐减小，气缸出口附近速度场趋于均匀。
对比分析4种方案，当气门升程6mm时， S4方案最大速度92.3m/s，低于S1和S2，略高于S3；当气门升程11.04mm时，S4方案最大速度最大，为107.3m/s。采用S4方案，中低气门升程时，进气流动相对平缓，流动损失较小，大气门升程时，进气流动迅速，利于进气气流，即在S4条件下，螺旋进气道结构上的改进，可能更有利于组织空气流动，形成相对较好的流场，在气门处能量衰减更小，空气之间相互扰动减小，从而有利于柴油机效率的提高。
2.3 流量系数和涡流比
根据不同气门升程下的流量系数CF和涡流比Rs，获取的里卡多流量系数和里卡多涡流比如表1所示。
分析归纳表1：
1）对S2方案：扩大进气道螺旋部分后，该结构对来流的螺旋导向作用有所降低，导致涡流比略有降低。另外，虽然该处流动域的空间增加了，但却使气体在该处膨胀，反而造成压力上的损失，导致流量系数同时略有降低。
2）对S3方案：扩大进气道螺旋部分，增大过渡曲面曲率以及气道出口直径，使得气流流动过程受到的阻力减小，相对于原机方案S1，流量系数CF得以提升，但是此时由于螺旋导向作用减弱，气缸内的涡流比有所降低。
3）对S4方案：收缩进气道螺旋部分，螺旋的导向作用增强，涡流比提高。本方案虽然能弥补S3中涡流比下降的不足，但同时其流量系数CF相对有所下降。
由于进气道的改型主要是在涡流比不出现明显变化的条件下，尽量提高流量系数CF，因此综合考虑后，S4方案相对较优，不同气门升程下的流量系数CF均高于原机S1，平均流量系数从0.277提高到0.283，提高约2.41%，涡流比为5.714，与原机5.808相近。
3.总结
本文针对DLH1110型柴油机，运用数值模拟的方式，在保证涡流比不出现明显下降的条件下，为提高柴油机的流量系数，对螺旋进气道进行了优化设计。计算结果表明：
1）气流流经螺旋气道旋转加速，以锥形射流方式进入气缸，形成涡流和滚流，有利于促进油气混合，气门偏置使一部分气流撞壁，在缸内形成与主涡流方向相反的逆涡流。2） 流量系数和涡流比存在相互制约的关系，采用流量系数最佳的方案S4时，流量系数较原机有所提升，但涡流比同时略有降低。3） 气道的螺旋涡壳部分对涡流比较为敏感，通过优化该处，能提高涡流比，同时流量系数略有降低。本文的优化思路可为螺旋进气道设计提供一定的参考和借鉴意义。
参考文献：
[1]李忠照.TY3100非道路用柴油机螺旋进气道三维数值模拟研究[D]. 武汉理工大学，2008.
[2]程莎莉.发动机气道三维流动特性的研究[D].重庆大学，2008.
作者简介：
王旭冉（1986.8—），男，湖北武汉，武汉理工大学在读硕士，研究方向：内燃机流体计算与仿真。
[关键词]柴油机 螺旋进气道 数值模拟 流量系数 涡流比
中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0340-01
0.前言
在柴油机进气过程中，气缸的进气量及气流运动情况严重影响着燃烧过程，主要体现为过量空气系数及油气混合均匀程度，这些都会直接影响柴油机的功率、油耗、扭矩和排放等指标[1]。本文对DLH1110型柴油机的螺旋进气道进行了稳态CFD数值模拟计算，得到了气道流场分布情况及相关性能指标。以提升气道流通性能为目标，分析对比新设计三种方案与原机方案，为螺旋进气道的设计优化提供理论依据。
1.计算方法
1.1 气道性能指标
柴油机进气道性能指标，主要分为流通能力及涡流形成能力两个方面。对于流通能力，采用流量系数表示，即不同气门升程下的实际进气量与理论流过气门阀内径DV值等截面的空气流量之比；对于涡流形成能力，采用涡流比来表示，即不同气门升程下，涡流计转速与发动机转速之比[2]。本文的评价方法选用Ricardo方法，该方法不但考虑了气道本身及缸径，还考虑到气门的升程曲线，被国内大多数柴油机厂家采用。
1.2 气道计算几何模型
将DLH1110型柴油机螺旋进气道三维模型导入Hypermesh软件，并在Hypermesh软件中进行几何清理，提取气道流体区域几何面，并完善计算域几何模型。
本文参照原机方案S1，设计修改三种新方案S2–S4：S2增大蜗壳半径；S3增大蜗壳半径，同时增大导向段与气门室过渡处曲面曲率，气道出口直径增大至与气门座内径相等，使这些空间的流体域更大；S4在S3的基础上，缩小蜗壳半径，同时增大导向段与斜坡段过渡处最小截面积，这四种方案均进行相应几何处理后，输出stl格式的几何面网格供后续AVL-Fire使用
1.3 网格划分
在AVL-Fire软件中，导入处理好的stl格式几何面网格，生成关键特征线，应用软件自带FAME网格生成技术，生成以六面体网格为主的非结构网格。在气门座圈和气门接触处、气门边缘处等需要局部细化的区域，网格尺寸设置为0.75mm，进气道、进气门、气缸顶处的尺寸设置为1.5mm，其余部份尺寸设置为3mm，这样能保证网格过渡比较平缓，生成的网格计算易于收敛，最终生成的网格单元总数控制在70-80万。此外，在距离缸底110mm处建立网格集合，用于保存里卡多叶片区域。为方便之后描述，将气缸顶部圆心点设为坐标原点。
1.4 计算设置
本文稳态仿真边界条件按照试验台测量参数设定如下：
（1）入口边界：设定入口为大气环境，压力100KPa ，温度293.15K
（2）出口边界：出口为负压边界条件，压力为97.5K Pa。
（3）初始化：采用出口条件初始化整个流场。
流体介质为可压缩性空气，求解方程激活质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，湍流模型选择k-zeta-f方程，压力耦合方程采用SIMPLE算法求解，近壁面采用标准壁面函数描述壁面附近边界层流体速度、压力等的分布[4，5]。
2.计算结果与分析
2.1 气缸内部涡流的形成
在不同方案和气门开度下，气缸内部的流场都比较类似。图1为S1方案，气门升程为11.04mm时的流场迹线。气流经过螺旋进气道之后，一小部分会直接进入气缸，但是绝大部分气流在斜坡段旋转后，以着较高旋转动量的形式流进气缸，这是形成气缸内部涡流的根本原因。
2.2 流场速度分布
选定气门升程6mm和最大升程11.04mm，选取截面过气门中心线，且平行于YOZ的截面，不同方案下气缸内部的速度场分布云图如图5所示。
分析螺旋气道内流场，在导向段截面逐渐缩小，在斜坡段出现整个气道的最小截面， 气流速度逐渐上升，气流的角动量在斜坡段和平顶段内形成后，螺旋地流向气门口。气流通过气门座—气门开启截面，流动空间大大减小，气体被压缩，速度都得到较大提升，并沿着气门锥形表面以旋转的锥形射流进入气缸，不同方案下最大速度接近一致。分析气缸内流场，由于气流经过气门之后依然保持较高的冲量，而较高的冲量即射流速度又使气门下方形成负压区，进而卷吸来流，在气门下方产生明显的回流，形成大尺度逆时针滚流区域。由于气门偏置，在距离气缸壁的近侧，气流碰壁改变流动方向 ，壁面处形成快速流动的气流层。综合竖直方向射流、切向旋流、汽缸的壁面作用以及气门下方回流区的相互影响，缸内上半部分的气流比较紊乱，缸内下半部分，气流之间的扰动作用已逐渐减小，气缸出口附近速度场趋于均匀。
对比分析4种方案，当气门升程6mm时， S4方案最大速度92.3m/s，低于S1和S2，略高于S3；当气门升程11.04mm时，S4方案最大速度最大，为107.3m/s。采用S4方案，中低气门升程时，进气流动相对平缓，流动损失较小，大气门升程时，进气流动迅速，利于进气气流，即在S4条件下，螺旋进气道结构上的改进，可能更有利于组织空气流动，形成相对较好的流场，在气门处能量衰减更小，空气之间相互扰动减小，从而有利于柴油机效率的提高。
2.3 流量系数和涡流比
根据不同气门升程下的流量系数CF和涡流比Rs，获取的里卡多流量系数和里卡多涡流比如表1所示。
分析归纳表1：
1）对S2方案：扩大进气道螺旋部分后，该结构对来流的螺旋导向作用有所降低，导致涡流比略有降低。另外，虽然该处流动域的空间增加了，但却使气体在该处膨胀，反而造成压力上的损失，导致流量系数同时略有降低。
2）对S3方案：扩大进气道螺旋部分，增大过渡曲面曲率以及气道出口直径，使得气流流动过程受到的阻力减小，相对于原机方案S1，流量系数CF得以提升，但是此时由于螺旋导向作用减弱，气缸内的涡流比有所降低。
3）对S4方案：收缩进气道螺旋部分，螺旋的导向作用增强，涡流比提高。本方案虽然能弥补S3中涡流比下降的不足，但同时其流量系数CF相对有所下降。
由于进气道的改型主要是在涡流比不出现明显变化的条件下，尽量提高流量系数CF，因此综合考虑后，S4方案相对较优，不同气门升程下的流量系数CF均高于原机S1，平均流量系数从0.277提高到0.283，提高约2.41%，涡流比为5.714，与原机5.808相近。
3.总结
本文针对DLH1110型柴油机，运用数值模拟的方式，在保证涡流比不出现明显下降的条件下，为提高柴油机的流量系数，对螺旋进气道进行了优化设计。计算结果表明：
1）气流流经螺旋气道旋转加速，以锥形射流方式进入气缸，形成涡流和滚流，有利于促进油气混合，气门偏置使一部分气流撞壁，在缸内形成与主涡流方向相反的逆涡流。2） 流量系数和涡流比存在相互制约的关系，采用流量系数最佳的方案S4时，流量系数较原机有所提升，但涡流比同时略有降低。3） 气道的螺旋涡壳部分对涡流比较为敏感，通过优化该处，能提高涡流比，同时流量系数略有降低。本文的优化思路可为螺旋进气道设计提供一定的参考和借鉴意义。
参考文献：
[1]李忠照.TY3100非道路用柴油机螺旋进气道三维数值模拟研究[D]. 武汉理工大学，2008.
[2]程莎莉.发动机气道三维流动特性的研究[D].重庆大学，2008.
作者简介：
王旭冉（1986.8—），男，湖北武汉，武汉理工大学在读硕士，研究方向：内燃机流体计算与仿真。