昂 j 期 2011年 6月 州 L Internal Combustion Engines O． j Jun．201l 发动瓠落 气 桑缀 畴 FLUENT分 耩 鲁缮梅 微 豫 牟红雨 ，张 翠平 超超 。姜 鹏 (太原理工大学 动力机械及工程 系，山西 太原 030024) 摘 要 ：笔者 以某 型号汽油发动机 的进气 系统为研究对象 ，利用瞬态可压缩黏性流体微 分方程和 k— 方 程建立湍 流 模 型 ，采用 FLUENT对该汽油机单缸进气 过程在速度 、压力上 进行分 析 ，得 出气 体在 整个 进气过 程 中压 力场 、速 度 场 的分布 ，由于进 气速度较慢 ，形 成涡流较少且强度 较弱 ，进气压力 损失较大 ，分 布不均匀 ，降低 充气效率 和燃烧 速 度 ，影响 发动机 动力性 、经济性 和排放性 ，需对该发动机进行结构优 化 。 关键词 ：汽油发动机 ；进气 系统 ；fluent；结构优化 中 图 分 类 号 ：TK411 文 献标 识 码 ：A 文 章 编 号 ：1000—6494(2011)03—0030—04 Fluent Analysis and Structure O ptim ization for Engine Intake System MOU Hong—yu，ZHANG Cui—ping，REN Chao—chao，JIANG Peng (Machinery Engineering School，Taiyuan 030024，China) Abstract：The research bases on a certain type of gasoline engine intake system as the object．It uses both transient com— pressible viscosity fluid differential equation and k — equation to build the turbulence mode1．And by using FLUENT on the single cylinder engine intake process in speed and pressure for analysis，we can get the distribution of pressure and velocity field in the whole process of gas inlet．Due to the speed of the inlet is slower，the formation of eddy current is less and strength is also weak．The pressure of inlet losses bigger also is uneven distribution．Then it Can reduces the charging efficiency and combustion rate．After all，it affects engine perform ance，fuel consumption and emissions sex of the engine． So we need to optimize the structure of engine． Key words：gasoline engine；intake system；fluent；structure optimization 发 动机 进 气 过 程 中气 流 组 织 的优 劣 是 影 响 动 气 道 内几 何 形 状 和 结 构 参 数 对 气 体 流 动 的影 响 规 力性 、经 济 性 和排 放 性 能 的重 要 因素 … ，而 进 气 系 律 ，对 设计 的气 道 进 行 性 能 预 测 ，从 理 论 上 提 出 改 统结 构设 计 的 合 理 性 很 大 程 度 上 决 定 着 进 气 过 程 进 方 向。 的优 劣 。由于进 气 道 结 构 复 杂 ，以往 设 计 一 般 采 用 实 验 的方法 ，在 试 验 台 上 进 行 大 量 的试 验 ，通 过 改 变 进气 道 及 相 关 部 件 的 结 构 参 数 以 获 得 高 的 流 量 系 数 、较 低 的流 动 阻 力 和 适 当强 度 的 进气 涡 流 。为 了减少 试验 调试 工 作 ，必 须 对 进 气 道 内气 体 流 场 进 行数值模拟 ，了解气 道 内流动 的详细情 况 ，研究 进 基 金 项 目：二 甲醚 燃 料 在 重 卡 车 上 进 行 应 用 性 研 究 (2008081017) 作者简 介 ：牟 红雨 (1984一)，男 ，黑 龙 江肇 东 人 ，硕 士 ， 研究方 向为动力机 械及工程 。 收稿 日期 ：2010—12—08 图 1 发 动机 进气系统示意 图 发动机进气系统包 括进气道 一气门 一气缸 (见 图 1)，进 气 系统 内气 流 运 动 组 织 的合 理 与否 ，不 仅 会 影 响发 动机 的动力 性 和 经 济 性 ，而 且 会 影 响 其 排 

第3期 牟红雨等：发动机进气系统的FLUENT分析与结构优化 烟、排污 、噪声 以及工作 的可靠性 J。要想对其 进 行 三 维流 动瞬 态模 拟 需 要 解 决 两个 关 键 问题 ，即进 气 系统 复 杂 计 算 区域 的 初 始 计 算 网格 生 成 和 活 塞 与气门运动边界的处理 l4 J。利用 UG精确建模 ，前 处 理 软 件 GAMBIT进 行 网格 划 分 和 边 界 条 件 的 设 定 ，FULENT分析 在 不 同 曲轴 转 角下 缸 内气 体 涡 流 的形成过程 ，分析缸 内气 体 的速度 、压力 和湍流强 度 的变 化 。 1 控 制方程 利用 FLUENT模 拟进 气道 及气 缸 内气体 流 场 的 数学 模 型包括 ：气 体 三 维 流 动 的 质 量 、动 量 、能 量 守 恒方 程 及 状 态 方 程 J。 由于 发 动 机 换 气 过 程 属 于 可压缩三维非定 常流 ，还 带有摩擦 和传热现象 ，直 接计算难度很大 ，工程上常采用时均方程加湍流模 型 K一 的求解 方法 J。数值 模拟 的基 本 控 制微 分 方程 如下 ： 1．1 质量 守恒 方 程 塑 + Ot +O(pv) +O(pw) Ox Oy Oz 一 0 (1) 式 中 ，P是 密度 ，t是 时 间 ， 是速 度 矢量 ， ， ， + Ot Ox = 毒[( + 0"脚 + L＼ 。 a J Ox ／ 8 ． 2 ．． c1e专‘G +c3 G6)一c2 P K+S (7) 式 中，G 是 由于平均 速度 梯度 引起 的湍 动能 产 生项，G = ( + O~i]1 OXj；Gb是由于浮力引起的 湍动 能 K的产生项 ，G = I~, OT； =2p 为 可压湍 流中脉动扩 张的贡献 ，模 型常数 由实验得 到 的 具体取值为：Cl =1．44，C2。=1．92， =0．09，or = 1．0， = 1．3，C3。 = 1。 2 网格 划 分 与边 界 条 件 设 定 2．1 网格 划分 笔者 所用 发 动 机 基 本参 数 缸 径 为 76．5 mm，行 程为 87 mm，气 门最 大 升程 h =5．5 mm，利 用 UG进 行实体建模 ，对物理模 型进行 网格 划分 ，在进气 道 和缸 体上 采用 四面 体 网格 ，在 气 门处采 用 六 面 体 网 格 和 分层 网格 运 动 方 式 。这 样 就 保 证 了 网格 在 运 动 过程 中 ，不 会 出现 网 格 形 状 严 重 变 形 ，导 致 网格 W是速 度矢 量 在 ，Y，z方 向的分量 。 质 量 恶化 ，见 图 2、图 3。 1．2 动量 守恒 方 程 砌 =赛+ +鲁+誓 (2) = 一 等+鲁+鲁+誓+ (3) +di =一警+ + + + (4) 式 中，P是流体微元体上的压力 ；r ，丁 ， 等 是因分子粘性 作用而产生 的作 用在微元体 表面上 的粘 性 应 力 的 分 量 ； ，Fy，Fz是 微 元 体 上 的 体 力 。 1．3 能 量方 程 · +divc ( +S (5) 其中，Cp是 比热容 ， 为温度 ，K为流体的传热 系数 ，|s 为 内热 源 以及 由于摩 擦作 用 流体 机械 能 转 化 为热能 的部 分 。 1．4 K一 标 准方 程 口 图 2 物理模型剖面 图 图 3 物 理 模 型 的 网格 图 2．2 边界 条件 Ot Ox Ox Ox + f = 毒 脚+Gk L、 ’，r ， J + G6_p8一 +Js (6) 由于进 气道 及 气 缸 内 的 流动 比较 复 杂 ，所 以 很 难较为准确地给出初始条件 ，在大多数流场 的计算 中都先假定一个初始条件 ，通过计算一个周期循 环 后 ，进 排 气 道 以及 缸 内 已 经 形 成 比较 准 确 的 压 力 场 ，然后再 以此 作为初始条件进 行下一步计算 ，其 

内燃 机 2011年 6月 具体条件如下 ： a．人 口边 界 条 件 ：采 用 压 力 人 口，设 置 压 力 为 101 325 Pa。 3．2进气 过程 中缸 内气体 压 力的 变化 从 图 6压 力分 布云 图 可 以看 出 ，气道 内压 力 高 于气缸 ，压降损失较大 ，随着气门开度增大 ，混合气 b．出 口边 界 条 件 ：采 用 压 力 出 口 ，设 置 压 力 为 进入 气缸 流 量 增 多 ，缸 内压 力 逐 渐 升 高 ，但 缸 内压 101 325 Pa。 力在 进气 过程 中分 布 不 均 匀 ，气 缸排 气 侧 内壁 压 力 c．壁 面边 界条 件 ：对进 气道 壁 面 、缸 盖壁 面 以及 较大 ，说 明气缸 内有一 部 分 废 气 在上 一 循 环 未 能 排 燃烧 室 壁面设 置 为 无 滑 移 的 固壁 条 件 ，即 固体 表 面 上 流体 的紊 流参 数 和 速 度 为零 ；气 门和 活 塞顶 部 设 置 则设 置 为运动 壁 面 ，认 为 固体 表 面 上 流体 的速 度 出 ，给进气 造成 阻 力 ，气 门下 方是 低 压 区 ，进 气 过 程 中缸 内整 体压 力较 低 ，影 响发 动机 的燃烧 速 度 。 与 壁面 运 动 的速 度 相 同 。 3 进气 过程 中流场分析 3．1进 气 过 程 中气 体 速度 的变 化 从 纵截 面 图 4上可 以看 出 ，进 气 开始 时 ，由于节 流作用 ，速度 主要集 中在气 门附近 ，气 体随着 活塞 下 移 的过程 中气 缸 内 的真 空 度 逐 渐增 大 ，内外 的压 差 也不 断增 大 ，速 度 有 所增 强 ，但 进气 速 度 不大 ，由 于气缸 壁 的摩擦 作 用 形 成 大 涡 流 ，但 流 速 较 慢 且 强 一 (a)60 oCA (b) 1= 图 6 不 同曲轴转角时气缸内 同一 纵 截 面 上 的压 力 分 布 云 图 度 不 大 ，涡流维 持 时 间较短 ；图 5上 可 以看 出缸 内出 4 对 进气 系统 进 行 结 构 改 进 和 对 比分 析 现 了涡流 现 象 ，气 门 升 程 的不 断 增 加 ，涡 流 速 度 增 大 ，但 涡 流 速 度 仍 较 低 且 数 量 较 少 。这 样 ，不 能 更 好 地使 油 气 混 合 ，达 不 到 完 全 燃 烧 ，发 动 机 的 动 力 性 减 弱 ；油 气 附 在燃 烧 室 内 壁 ，增 加 有 害 气 体 的 排 放 ，在 下一 循 环 中也 容 易 出 现 爆 燃 现 象 ，影 响发 动 机 的稳 定 性 ，经 济 性也 随之 下 降 。 4．1 结构 改进 根 据上 面分 析 气 缸进 气 速 度 较 慢 ，形 成 涡 流较 少 且强 度较 弱 ，涡 流 持 续 时 间 较 短 ，进 气 压 力 损 失 较 大 ，分 布不 均匀 ，降低 充 气 效 率 和 燃烧 速 度 ，影 响 发 动机 动力 性 、经 济 性 和 排 放 性 ，需 对 该 发 动 机 进 行 结 构 优 化 。经 研 究 发 现 ，在 活 塞 顶 部 设 计 成 凹 坑 、凸台或 其他形 状 ，可 以改 变 气 流 方 向 ，增 加 进 气 空 间 ，在燃 烧 室 内容 易 形 成 湍 流 ，可 以使 燃 油 和 空 气混合更加充分 ，笔者是在活塞顶部做 了一个盆形 凹坑 ，见 图 7。 ／k 口 (a)30℃A (b)6C 图 5 不同曲轴转角时气缸 内 同一横截 面上 的速度 分布矢量图 图 7 活塞 顶部的几何结构简 图 4．2 改进后进 气 系统的 速度变化 与改进前对 比分析 从 图 8上看 ，改进 后 与 改 进 前 在 相 同 曲轴 转 角 下进气速度略有增强 ，速度分布 由改进前 的气缸壁 和活塞顶面到整个气缸尤其在 盆形 凹槽附近 ，气流 速度方 向呈杂乱无章 ，出现湍流现象 ，在进气 门下 

第 3期 牟红雨等：发动机进气系统的 FLUENT分析与结构优化 ·33· 方 明显 出现两 个小 涡流 ，涡流 速 度 较 大 且 持 续 时 间 长 。从 图 9上 看 ，改 进 后 速 度 强 度 明 显 增 强 ，在 30℃A时 ，进气 门和排气 门下 方各 形成 了两 个漩 涡 ， 60。CA过后 ，缸 内除 了 四个 较 大 的气流漩 涡 外 ，还 产 生 了许 多 小 涡 ，小 涡 之 间相 互 碰 撞 、挤 压 、融 合 ，呈 现 出多涡 并 存 的现 象 ，而 且 速 度 沿 各 个 方 向运 动 ， 在缸 内形成 湍 流 ，充 气 效 率 和 油 空 气 混合 优 于改 进 前 ，使 燃 烧 更 充 分 ，提 高 了 发 动 机 动 力 性 ，降 低 排 放 ，同时也增加了发动机的经济性和舒适性 。 (a)60~CA (b)116~CA 图 10 不 同曲轴转角 时气 缸内 同一纵截面上 的压力分 布云图 5 结 论 笔 者运 用 FLUENT软 件 ，对 某 一 四气 门 汽 油 机 的进 排 气 系统进 行数 值 计 算 ，分 析 了气 道 一气 门 一 气缸 内气体 速度 和 压力 的分 布 情 况 ，根 据 模 拟 结果 得 出该 发 动 机 进 气 系 统 的不 足 并 提 出 改 进 方 案 。 在数 值 计 算 和 结 果 分 析 的 过 程 中 ，可 以 得 到 以下 结论 ： a．通 过对不 同 曲轴 转 角 时 缸 内纵 、横 截 面上 速 度矢 量变 化分 析 发 现 ，进 气 开 始 时 ，由于节 流作 用 ， 速度 主要 集 中在气 门 附近 ，气 体 随着 活 塞 下 移 的过 程 中气缸 内的真 空度 逐 渐 增 大 ，内外 的压 差 也不 断 增大 ，速度有所增 强 ，由于气缸壁 的摩擦 作用形成 涡流 。 b．通过对 不 同 曲轴 转 角 时 缸 内 同 一 纵 截 面 上 压力 变化 分 析 发 现 ，气 道 内压 力 高 于 气 缸 ，随 着 气 门开 度增 大 ，混 合 气 进 人 气 缸 流 量 增 多 ，缸 内压 力 逐渐 升高 。 C．通过 对该 发 动 机 进气 系统 在 速 度 、压 力 上 模 拟结果分析出其进气少 ，燃烧效率低 ，动力性差 ，对 此 提 出改 进方 案 ，再 次 模 拟 后 与 改 进前 进 行 对 比分 析可 以得 出 ，改 进 后 发 动 机 缸 内气 流 速 度 加 快 ，速 度 方 向杂 乱 无 章 ，形 成 除 四个 较 大 涡 外 ，还 产 生 许 多小 涡 ，多涡 共 存 形 成 湍 流 ，压 力 分 布 均 匀 且 略 高 于改进前 ，缸 内的残 余废气减少 ，提高 了发动机 的 充 气效 率 和燃 烧 效 率 ，进 而 提 高 了 发 动 机 的 动 力 性 ，燃油经济性 ，降低有害气体排放 。 [参考文献 ] [1] 罗马吉 ，黄震．内燃 机进气 过 程多 维数 值模 拟 的研究 [J]．车用 发动 机 ，2003，(5)：11—15． [2] 周龙保 ，刘撰俊 ，高宗英．内燃机学 [M]．北京 ：机械工 业 出版社 ，1998． [3] GOSMAN A D．Ahmed A M Y Measurement and Multidi— men sional Prediction of Flow in an Axisysmmetic Port， Valve Assem bly 1987． [4] 杨玟 ．内燃机进气道稳 流实验装 置 内三 维流动特 性数 值模 拟研 究[D]．1999． ’ [5] 陈 材 侃 ．计 算 流 体 力 学 [M]．重 庆 ：重 庆 出 版 社 ，1992． [6] 马贵阳 ，王岳 ，张育才 ，等．RNG模 型在 内燃机缸 内湍 流数 值模 拟 中 的应 用 [J]．石 油 化工 高 等 学校 学 报 ， 2o02，15(1)：55—59．