发动机进气歧管进气过程1D-3D耦合数值模拟研究
当前，工程技术人员主要采用一维热力学数值模拟和三维数值模拟技术分析进气歧管的流动情况，一维模拟主要分析进气岐管支管长度、直径及谐振腔容积对发动机性能的影响；三维模拟则主要分析进气歧管结构对流通性和进气均匀性的影响。一维模型中考虑了进气歧管的动态效应，比较符合发动机的实际工况，且计算速度快。但分析中将进气歧管简化为一维的管道，不能体现三维结构对发动机性能的影响。三维模型的计算域是实际的流域，能体现三维结构的影响，但是模型中没有考虑进气歧管的动态效应。 q8 C5 d' X4 _% Q7 H0 K+ C+ P; {
# x1 D4 d! S% ~& { ^, p为了能准确分析进气歧管气体流动对发动机性能的影响，可以结合两种算法的优点，对进气歧管进行1D-3D耦合计算。该方法综合考虑了实际工况和实际结构对发动机性能的影响，对进气歧管段进行三维瞬态CFD分析，对发动机热力系统的其它部分则进行一维热力学分析。本文采用1D-3D耦合计算方法，分析了某发动机的进气过程，分析结果对该型发动机进气歧管的改进具有重要的指导意义。 " a0 f/ _; ~! N& o5 U
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1D-3D耦合分析理论 . a( M) V6 v" K0 A+ `* E- G; {
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1、 一维气体动力学控制方程
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% @( Y0 E4 a% b) w/ o' x4 S通过求解一维气体动力学控制方程，可以得到发动机进气歧管段入口和出口的瞬态压力、流量等参数，方程(1)～(3)为其控制方程。
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连续方程：
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* `+ |& }! e/ f$ W F/ U其中 ρ为密度，m为流动速度，x为沿管向的坐标，A为管道截面积，t为时间，p为静压，FR为壁面摩擦力，V为单元体积，E为气体的能量项，Cv为定容比热，T为温度，qw为壁面热流。 $ w. L0 `7 ~+ X
/ c* G0 h) L1 P1 r- B2 O2、三维CFD湍流模型 $ ~, o! B1 i k- v/ S
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采用k-ε标准湍流模型分析进气歧管的三维流动问题，标准k-ε湍流模型的输运方程为：
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上式中，Gk为由平均速度梯度产生的湍动能，Gb为由浮力产生的湍动能，YM表示膨胀耗散项，C1ε、C2ε、C3ε为常数。бk、бε为k和ε的普朗特数，Sk和Sε为用户定义的源项。
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3、1D-3D接口模型 K- [5 D v! B/ i% l# o
H3 [% }& ]6 ?3 Z在三维CFD计算模型的进出口段选择出一段计算域，并在一维热力学模型中增加相应的附加管道单元，一维热力学计算模块和三维CFD计算模块在该区域进行数据交换。每个时间步，三维CFD计算得到该区流域的密度、动量、温度等平均值。随后，将数据传送到一维热力学模型的附加管道段，由一维热力学模块求解整个发动机的管道流动，并得到下一时间步数据交换区的流量、动量和能量等参数。最后，将一维热力学计算数据作为三维CFD区域在该时间步的边界条件。数据传输过程如图1所示。# e u5 ?' Z5 }" J* Y3 q3 U3 a6 F4 Q
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- [/ o _2 Q1 y( q1 m进气歧管1D-3D耦合分析 6 E0 L( A% R2 D1 ^ b
. l) P, Y8 ]) t' ]3 X/ _" N1、进气歧管1D-3D耦合分析模型
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采用上述方法分析了某发动机进气歧管的三维流动问题，图2为该机热力学模型，图中方框内为3D耦合部分，图3为进气歧管网格模型，图中L1～L5为1D-3D耦合数据交换区。7 ]6 d3 @+ |- p) q
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2、1D-3D耦合分析
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计算时，先由一维热力学分析软件计算20个循环，后进行1D-3D耦合计算。分析工况为5000r/min，全负荷。得到发动机性能计算结果如表1。
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6 x Y9 e! t# r X从表1中可以看出，由第1缸到第4缸，充气效率递减，但相差不大，这说明进气歧管均匀性比较好。
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, |8 F7 G" t0 ]4 ^计算还可以得到进气歧管各曲轴转角下的流场结果，限于篇幅，这里仅分析3缸进气阀开启、最大升程及关闭时刻进气歧管的流场分布情况。图4所示为3缸进气阀开启时刻总压和速度分布，该时刻1缸和2缸进气阀关，4缸进气阀开，从图中可以看出，3缸进气歧管出口段附近的总压最高，处于倒流状态，且具有较高的速度。主要原因是：由于4缸处于开启状态，3支管内的气流被抽吸，这种现象对3缸进气不利。此刻，由于1缸气阀关闭持续时间很长（254o CA）且离入口近，第1支管内压力较高且处于逐渐增加的状态，2缸由于气阀关闭不久（74o CA）,压力处于一个较低的水平。
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, J4 M8 f' w4 L( d0 d5 B7 Z6 h图5所示为3缸进气阀最大升程时刻总压和速度分布。该时刻1缸、2缸和4缸进气阀关闭，3支管的压力均处于逐渐增加的状态，1缸支管内压力最高，对气阀即将开启的1缸极为有利。4缸出现较大流速的倒流状态，原因是：4缸气门突然关闭，气流由于惯性在4支管继续充气形成高压，导致支管出口段与谐振腔内有一定的压力，从而造成回流。从图中还可以看出，在该时刻第3支管与谐振腔交界处有两个局部高压区，说明该处局部流通阻力较大，可进行局部结构优化。
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图6所示为3缸进气阀关闭时刻总压和速度分布。此刻1缸进气阀开，2缸和4进气阀关，图中可以看出：此刻1缸处于低压状态，3缸进气歧管压力由于气门的关闭骤然增加，并迅速回流，4缸内压力逐步上升。2 w( b9 C! F4 F" y* c( a' v
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7 \7 @9 Z0 Y' B o$ M, U结论 ! ~7 Q+ j/ F, h4 R. L5 `
5 V* E! A9 v) z# Y' g* e1D-3D耦合计算有以下几个优点： 8 T1 |" C9 ]5 v: E& [
: @& l: m w& n. T. m! ]6 c8 @3 O⑴ 能同时得出一维热力学和三维CFD计算结果；⑵ 可分析进气歧管结构特征对发动机性能的影响，这是单独一维热力学模型和单独三维模型不能解决的；⑶ 通过耦合计算的一维计算结果，得到各工况下进气歧管各支管的平均流量等数据，可以较好的评价进气歧管的均匀性、流通性；⑷ 可以得到进气歧管各支管的压力、流量随曲柄转角的变化情况，可以分析进气谐振对进气的影响；⑸ 可以得到各曲柄转角下进气歧管的瞬态流场分布，可以了解局部流场特性，对进气歧管结构优化具有指导意义
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