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[发动机] 某发动机排气歧管CFD分析

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发表于 2016-3-24 23:15:50 | 显示全部楼层 |阅读模式

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使用AVL FIRE软件对某排气歧管进行稳态和瞬态分析,可以得到其压力损失和通过旁通管的废气质量流量。分析结果表明:各歧管压力损失较小,流动阻力小;在某些曲轴转角时刻,排气会对进气产生影响;通过旁通管进入到受影响气缸的废气质量流量占总废气质量流量的2.7%~3.4%,影响较小。
        为了解决某发动机冷起动时排放中HC等污染物太多,超过规定的排放标准。在排气歧管中1缸和2缸、3缸和4缸之间各增加一个旁通管(见图1)。该旁通管的作用是在发动机冷起动时打开旁通管,空气进入排气歧管中将未燃HC等气体燃烧,降低排放。冷起动结束时,旁通管关闭。为了评估旁通管的存在对各缸进排气之间的影响,需要对该排气歧管进行CFD分析。
       

某发动机排气歧管CFD分析

某发动机排气歧管CFD分析

        模型
        1. 网格划分
        将排气歧管模型导入到HYPERMESH软件中进行面网格划分。然后将画好的网格文件导入到FIRE软件中,使用AVL FIRE前处理网格划分模块FAME对其进行体网格划分。为保证三维网格模型的准确性,需要对局部细化区域进行网格细化,划分好的发动机冷却水套计算模型的总网格数约为20.4万,这么多的网格数量能够满足排气歧管的计算精度。划分的网格中六面体网格占95%以上,六面体网格不仅可以减少网格数量,而且有计算精度高、适应的算法较多等优点。为了防止进出口边界回流现象的发生,将入口和出口边界均拉伸一段距离。最终划分好的网格模型(见图2)中标出了i(1、2、3和4)缸的位置,并设定了四个用于监测质量流量的体网格,分别为S1、S2、S3和S4。
       

某发动机排气歧管CFD分析

某发动机排气歧管CFD分析

        2. 边界条件
        本文分别进行了稳态计算和瞬态计算来模拟排气歧管的废气流动情况。其中稳态计算的目的在于分析各歧管的压力损失,找出流动损失较大的区域,评估各歧管的流通能力。瞬态计算的目的是计算出每个曲轴转角时刻通过旁通管的废气质量流量,得出其占总废气质量流量的百分比。
        (1)稳态模型
        稳态计算分别考虑每个气缸进气,当一个气缸的进气歧管设为进气时,其它缸的进气歧管设定为关闭状态。
        边界输入值来自BOOST计算。对于进气歧管,进口采用质量边界,设置其值为40.87g/s。出口采用压力边界,设置其值为336975Pa。
       

某发动机排气歧管CFD分析

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        (2)瞬态计算
        瞬态计算与稳态计算最大的区别就是边界条件的不同,瞬态计算输入的边界条件不是常量,而是周期性变化的。由一维计算软件BOOST计算相应位置的瞬态质量流量、压力和温度分别作为排气歧管的进出口边界条件。四个缸的入口均采用质量边界,出口采用压力边界(见图3)。
        3. 求解器参数
        采用迎风离散格式,一阶隐式格式离散时间项,压力与速度耦合算法选择SIMPLE。设定管内废气流动为可压缩粘性湍流流动。湍流模型为k-zeta-f方程,使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,且要求贴近壁面的网格的y+值在11~200之间,残差<0.0001。
        瞬态计算共进行了5个工作循环,前4个循环保证计算收敛,而第5个循环用于输出计算结果。
       

某发动机排气歧管CFD分析

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        计算结果分析
        1. 稳态计算结果
        计算结束后,得到收敛解。通过后处理得到进出口的平均压力,然后计算4种情况下进出口的压力差(见表1)。
       

某发动机排气歧管CFD分析

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        将压力差分别除以4种情况下的进口压力平均值,得到压力损失所占的比率(见表1)。4个缸的压力损失均很小,说明排气歧管流动阻力很小。其中,3缸压力损失最小,这是由于3缸离出口管路最近,沿程损失小。图4为四个出口分别开启时整个进气歧管的压力分布。
       

某发动机排气歧管CFD分析

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        2. 瞬态计算结果
        计算得5个工作循环的数据,输出的是第5个循环的数据。表2列出了各缸的进排气阀开启和关闭的曲轴转角时刻,表3是该发动机的工作循环过程。
        该发动机的发火顺序是1-3-4-2。评价排气对进气的影响,从表3中可以看出,主要是四个过程:4缸排气对3缸进气的影响;1缸排气对2缸进气的影响;2缸排气对4缸进气的影响;3缸排气对1缸进气的影响。这四个过程对应的监测位置分别对应于S3、S2、S4及S1。这四个工作过程中仅在气门重叠期内排气对进气产生影响,结合表2和表3,最终排气对进气产生影响的区域如下:
        (1)4缸排气对3缸进气的影响范围:519?CA~54?CA;
        (2)1缸排气对2缸进气的影响范围:159?CA~414?CA;
        (3)2缸排气对4缸进气的影响范围:699?CA~234?CA;
        (4)3缸排气对1缸进气的影响范围:339?CA~594?CA。
        排气对进气产生影响的范围内的质量流量如图5所示。图中的质量流量有正有负,正的是沿Z轴正向,负的是沿Z轴负向。排气中只有沿一个方向的废气对进气产生影响。S1和S3是正的质量流量产生影响,S2和S4是负的质量流量产生影响。在这些范围内,S3、S2的积分值比S4、S1的积分值大一些,这是由于3缸与排气总管相连,导致4缸对3缸、1缸对2缸影响大一些,而2缸对4缸、3缸对1缸影响小一些。
        将流经旁通管的最大质量流量除以进入歧管的质量流量,得出通过旁通管的废气所占质量百分比(见表4)。
       

某发动机排气歧管CFD分析

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        从表4中还可以看出,旁通管的质量流量占进气歧管质量流量的2.7%~3.4%,影响较小。
        下面以4缸对3缸的影响及S3为例,说明旁通管内的废气的流动情况。
        由于S3是从519?CA到54?CA,图6的流场图中选取了519?CA、528?CA、588?CA和618?CA这四个具有代表性的曲轴转角时刻的流场图(见图6)。
        519?CA时刻,3缸的进气阀刚打开,3缸仍在排气。4缸的废气一部分经过旁通管到达3缸,3缸的排气将这部分废气冲向排气管出口方向,此时4缸排气对3缸仍无影响。
        528?CA时刻,通过旁通管的废气联合从总管回流到3缸的废气一起进入到3缸。
        588?CA时刻,由于4缸废气出现回流,3缸仍向外排气,所以旁通管内的废气是从3缸流向4缸。
        618?CA时刻,此时通过旁通管从4缸流向3缸的废气质量流量达到最大,这部分废气与从总管回流到3缸的废气一起进入到3缸。
        结论
        通过对某型排气歧管进行CFD的稳态和瞬态分析,计算得出以下结论:
        (1)稳态计算结果表明,各歧管压力损失较小,流动阻力小;
        (2)在某些曲轴转角时刻,该排气会对进气产生影响;
        (3)通过旁通管进入到受影响气缸的废气质量流量占总废气质量流量的2.7%~3.4%,影响较小。
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