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进气道进气道 CFD 计算的分析思路和评价方法计算的分析思路和评价方法 进气道进气道 计算的分析思路和评价方法计算的分析思路和评价方法 第一章第一章 前言前言 第一章第一章 前言前言 进气道 的设计对发动机的影响是非常重要的，在进气道的设计中，人们总结 出两个定量描述进气道特性的参数，一个是流量系数，一个是涡流/滚流比 。其 中流量系数直接决定着气缸的充气量，而涡流/滚流比对缸内混合气的形成 ，发 展，燃烧扩散的速度和稳定性 。但是提高流量系数时涡流/滚流比会降低 ，反之 亦然，所以常常需要在这两者之间取得一个折衷。在 FIRE 里，我们可以在算出 三维流场的基础上通过公式很方便地计算出这两个量 。 柴油机和汽油机的进气道的设计有很大的差别 ，柴油机采用的是螺旋进气 道，通过在缸内形成强烈的涡流促进燃油和空气充分混合，实现快速稳定的燃烧； 而汽油机主要是通过在缸内形成滚流来组织快速燃烧或混合气分层稀燃，所以采 用的是直气道和切向气道 。 对于柴油机的螺旋进气道来说，我们主要关心的是气道流量系数和涡流比的 计算，改进设计的目标是提高流量系数，会牺牲部分涡流强度，或优化的目标是 达到一个目标涡流比的情况下取得最大的流量系数 。气道的 CFD 分析建立的计 算域几何模型与气道稳流试验台的布置应是一致的 。计算流量系数和涡流比的方 法也应该是一样的，这样才可以直接对比。图 1 所示的是一个典型柴油机双进气 道的计算模型，气道前端的空腔模拟的是气道试验台的稳压箱，气缸长度一般取 2.5 倍的缸径，与实验台的设置基本相同。这样加长气缸有两个考虑：一是基本 可以保证出口没有回流，这对数值计算的收敛很重要 （因为出口设静压边界条件 要求不能有回流 ）；二是测涡流强度的叶轮 （AVL 测试方法 ）是布置在距缸盖 1.75 倍缸径的位置，该位置不能过于靠近出口，以免受到出口流动情况的影响。 流量系数的定义为实际流量与理论流量的比值，在 FIRE 里可在求解器界面 的 Write 2D result file 里选择相应的公式来计算，这里实际流量是取的出口处的 流量，这就是为什么要选择 outlet 这个 selection 。理论流量的计算主要是依据进 出口压差和气门座内直径，计算公式可以在下文中查到。这样计算出的流量系数 与标准的气道试验台的处理结果是可以直接对比的，或者说常见的气道实验台测 流量系数的方法是相同的，但测涡流的方法就不尽相同了。比如说 AVL 的试验 台是在距缸盖 1.75 倍缸径的位置用叶轮来测涡流转速，而 Ricardo 的则是通过测 扭矩来推算涡流转速 。不管是哪种测涡流的方法，FIRE 里都有相应公式对计算 出的三维流场信息进行处理，与之相对比。FIRE 提供的一个气道的算例就是按 照 AVL 试验台测涡流的方式 ，在计算模型里对应的位置根据叶轮的内径和外径 定义一个 Cell Section，然后选择程序自带 的计算涡流比的公式来算出与实验对 应的涡流比的 。有关公式在很多文献上都可以查到，这里就不敷述 。 图 1 柴油机进气道-计算域 对于汽油机来说，进气道采用的是直气道或切向气道，图 2 所示的是一个典 型汽油机进气道的计算模型。在汽油机进气道的计算中，人们主要关心的参数就 是流量系数和滚流强度。涡流旋转的中心轴为气缸中心轴，而这里提到的滚流的 旋转轴取决于切向气道的方向，在稳态研究时一般是在距缸盖 0.5 倍缸径的面上 垂直于气缸轴线和气道切面的线即为滚流的旋转轴线如图 3，图 4 所示 。滚流强 度主要是依据在这个平面上速度的切向分量 （与气缸中心轴平行 的速度分量）计 算出的 。在 FIRE 计算时，可以通过在体网格的 z=-0.5D （计算模型的原点在缸 头面，并且气缸中心线为 z 轴 ）这个位置生成一个 Face Selection ，然后选用 2D Results 里的 Tumble_ratio_face 这个公式即可算出 。由于滚流的特性，在实际发 动机运行时其中心轴 的位置还与活塞的运动有很大关系，这一点也是与涡流不同 的，所以有些人认为在稳态条件下研究滚流意义不大 。那么在发动