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一种预测柴油机进气区域流量损失的先进计算方法

摘要：关于预测内燃机进气区域损失的计算方法已经很成熟了。这个方法主要包括四个的任务层次：（1）对流动现象进行合理建模；（2）准确的几何结构建模、生成高质量的网格；（3）应用低粘度离散化方案；（4）采用更高阶湍流模型。只有当这四个条件得到正确处理后，该计算仿真才会持续输出准确的计算结果。在各种复杂的二维、三维层流和湍流流动情况下，这种方法都得到了成功的测试验证，在本文把它应用在工业中的损耗预测问题上。通过电脑计算的方法预测了一台卡特彼勒柴油机进气区域（进气管、进气歧管、稳压室、进气口、进气阀和气缸）的总压力损失，并与实验结果进行比较。详细的数据资料表明了损耗气穴的区域、损耗的机制和不同损失源的相对大小。大范围、三维、粘性、湍流流动仿真模拟使用多达840000个非结构化/四面体网格单元和完整形式的时均Navier-Stokes斯托克斯方程，分别模拟进行了气门升程低、中、高三种情况。结果在预测和测量结果之间得到了良好的一致性。

引言

受联邦排放法规和日益增多的全球市场竞争的激励，柴油机设计者越来越倾向于通过对内燃机气体流动现象的仿真计算，来了解和预测复杂的流动现象。以设计方法学为基础的计算流体动力学有望成为预测影响因素的工具，比如在原型机制造前预测发动机进气区域的总压力损失。这种预测性的能力可以有效规避现在“建造就破产”的设计方法。通过明显降低昂贵、耗时的测试过程，可以减少整个发动机的设计周期。

这种预测进气区域流量的方法在发动机设计过程中非常重要。一个“干净的”进气系统可以减少进气阻力，从而让发动机“呼吸”得更好。这样燃烧室可以吸入更多的空气，从而提高输出功率，增加功率重量比。此外，影响排放等级的重要因素包括燃烧室里的湍流强度、涡流和滚流。这些参数受燃烧室的上部进气管区域气体活动的影响。显然，流量调节是在进气区域内完成的。因此，对内燃机设计者来说拥有更先进的且经过验证的、可以用来预测进气管区域流量的方法是至关重要的。

为了保证计算流体动力学软件仿真始终得到准确的结果，有几项任务必须得到正确处理。四个关键点：计算几何建模、网格生成、离散化方案和湍流模型，它们组成了这里使用的计算方法。这种经过细心验证的方法是一个可针对任意流进行正确计算研究的可靠工具。在这里是第一次提出将这种方法应用在解决柴油机进口区域流量这个问题上。

目前的研究主要是探讨在低、中、高气门升程的情况下稳态进气区域的流量，从而调查总压力的损失。所使用的计算模型与使用原型机进气区域进行的稳态压降实验时的配置一样。对损耗气穴的计算预测完全是在气门升程高的情况下提出的。损耗气穴的程度随不同的气门升程而变化，表明了三种气门升程情况下流动现象的差异。质量加权总压损失用图表示出每种气门升程的情况下，发动机各区域内进气流动路径的情况。

文献综述

研究发现，关于柴油发动机进气区域的公开文献，主要关注进气阀组件的流量系数和进气几何形状对气缸内的涡流、滚流的影响。几个早期的研究将关注点集中在不同气门升程时流量系数变化的物理现象。以在阀面和/或阀座发生流动分离进行分类的几种流型假设，已经通过实验和计算得到了验证。

Bicen等人用激光多普勒测速仪研究轴对称发动机气缸气门座处的速度。对于稳态流体试验和非稳态流体试验的一致性，这个作者总结道“在这里实验的稳定和三个非稳态配置表现出一致性，表明流动不稳定、活塞密封和阀门操作对阀门出口处的平均流动模式影响不大，因此可以从稳流试验中得到较为准确的预测。”作者提醒到缸内流动模式会受到非稳态流动的严重影响。在较高的气门升程情况下，气门座上的气流分离被确定为流量系数大幅下降的原因。这种分离是Gosman和Ahmed的一个主要关注点，他们通过实验和计算研究了轴对称口-阀的几何结构。在这个实例中的计算没有有效的再现阀和阀座处的分离。这主要归咎于湍流模型的局限性。Naser和Gosman为了寻找最好的气门间隙流体湍流模型，将几个变化的标准k-ε模型运用在一个类似的二维轴对称口-阀组件中。具体来说，在急剧的流线曲率和负压梯度的情况下，该k-ε封闭模型的局限性已得到解决。

随着电脑计算成本和要求的降低，三维空间的口-阀-缸的研究越来越普遍。有几个作者为了测定流量系数和缸内涡流特性，进行了仿真计算。三维模型具有可以预测阀门周围不同位置的阀间隙区域速度分布的优点。还有更大的模型已经能够预测每缸两个进气阀中的两个非对称端口质量流速的变化。然而，公开文献中几乎没有涉及，扩大计算模型到进气歧管或稳压室。Brandstatter和其他人已经通过计算研究了大量简单的二维进气歧管。二维模型固有的简单性被作者记录下来，他声明“毫无疑问，只有真正的三维几何模型才能给出我们想要的压降信息。”

在公开文献中，计算流体力学研究人员可用的计算资源的有限性是显而易见的。有了这样的限制，关于整体范围内的计算域、网格密度、离散化方案等方面的决策，必须由计算规模决定。例如，许多作者利用计算域，其中包括无增压或进气歧管，使进气平面被定义在端口内的一些任意横截面的平面内。粗糙的计算网格也常见，导致它的最有可能的原因是计算机cpu处理能力的不足。预测与测量结果间的差异往往归咎于湍流建模的局限性，实际上仿真设置的一些其他方面可能也不足。

现有贡献

目前在公开文献中没有完整的计算方法可以持续、准确的预测内燃机整个进气区域总压的损失。在这里提出一个由适当的流动物理模型、高质量的网格、高阶离散化方案和湍流建模组成的，可以预测整个进气区域总压损失的计算方法。

这种针对进气区域压力损失问题的方法的用途包括：

可使用完整的计算域，包括进气导管、歧管、稳压室、端口，有的还包括相邻的端口、阀门和气缸；

通过使用行业CAD数据来获得准确的进气区域几何图形；

网格多达850000个的高密度、高质量网格；

基于完全隐式，压力修正的非结构化/自适应网格网格的多重网格加速算法；

使用二阶离散化方案以减少粘度；

这种方法应用于实际柴油机进气区域预测总压损失的特定问题上。进气系统各个区域的损耗机制都会被指认出来。在低、中、高气阀升程的情况下，量化和比较每个次区损耗源的相对大小。

计算方法

在CFD模拟中，只有应用针对该问题的完整计算方法，才可以始终获得准确的结果。这里使用的计算方法包括四个层次结构，如图1所示。四个任务包括1)计算建模，2)网格生成，3)支配流体流动的离散化方程，和4)湍流模型，使用下面描述的技术完成。

图1 四个步骤的计算层次

计算建模——在任何CFD模拟中最重要的任务就是建立物理流动的模型。不幸的是，这个任务往往被CFD的相关著作所忽视。一个合适的模型将有机会在给定流的情况下，获取必要的物理现象。对计算域范围、边界条件、维度和时间依赖进行选择的也是建模任务的一部分。

计算域范围——为了节省计算资源，许多CFD模拟的计算域范围是有限的。在计算资源局限性和一个完整的域的需求之间必须找到一个适当的平衡，尤其是在三维流动的情况中。直到现在，进气区域损失预测模型的范围还是有限的。由于计算能力的限制，通常计算域只包括进气端口阀门、气缸，但是其实大部分的流动损失发生在气门间隙区域。这样的模型不能俘获上游进气阀门的损失机制。

图2 计算域

当前模型的计算域如图2所示，包括进气管、稳压室、进气口，有的还包括相邻的进气口、进气阀和气缸。这个计算域表示了三缸卡特彼勒柴油机的进气区域。这个模型表明了实际发动机的真实情况，它的进气歧管分为两半，每半向三个气缸中的两组提供空气。在典型的稳态测试中，除了一个气缸的进气阀，其余的全部都关闭。使用完整的计算域，那么整个进气区域的损失机制就可以量化。进一步讲，如果上游对进入进气口气流的影响被准确捕获的话，那么实际中的进气口内气流结构就可以预测。

稳态设想——一些作者已经对扩展稳态测试的正确性做出评价，一个实际发动机设计仿真的结果，表明它的流动过程在本质上是瞬态的。虽然必须注意正确解释稳态的数据结果，但是它已经表明，这样的结果可以准确地描述进气区域上游燃烧室的损耗机制。然而，不管是稳态实验还是计算，对缸内流动结构（尤其是滚流）的预测准确度都较低，这是因为移动的活塞上段影响这一区域的气流。

在稳态条件，低、中、高三种不同气门升程情况下，分别进行了CFD模拟。把在卡特彼勒公司进行的稳态实验与计算结果进行比较。边界条件直接从这些实验得到，所以CFD结果可以与测量数据进行适当的对比。运用三种气门升程条件下的入口速度边界条件可以达到如图3所示的质量流率。进气口的湍流数据没有可用的；CFD研究通过将入口直径的长度除以10来假设5%的进口湍流。

图3 边界条件数值

几何和网格生成——一旦这个计算建模任务的完成了，那网格也生成了。尤其是在工业环境中，CAD数据越来越多地用于几何生成。一旦几何域构造之后，那么在域中必须生成高质量和足够致密的网格。由于网格质量和密度直接影响数值误差、收敛速度和整体精度，所以网格生成是任何CFD研究的必需的重要组成部分。

几何生成——在这项研究中使用的几何结构是卡特彼勒柴油机进气区域的结构。CAD数据是通过国际图形交换规范(IGES)格式从Uni-Graphics和Pro-Engineer软件输出到I DEAS。模型大约有700个表面。原始模型中所包含的所有几何数据都被保存在最终的I DEAS模型。

网格生成——当处理一个复杂的三维域时，结构化六面体网格通常不适合填充无严重失真问题的模型。从发动机进气区域的复杂几何结构来看，采用非结构化四面体网格是一个可以减少严重网格拉伸的更合适的选择。网格畸变（从一个完美的等边四面体形状变化）和网格密度都对CFD求解的质量非常重要。

使用I DEAS系统生成非结构化四面体有限元类型固体网格。这个网格生成程序生成高质量网格，它最初是作为一种固体力学开发网格生成程序。网格密度和质量受分区体积、局部元素大小和视觉预览的表面网格（基于固体网格）的严格控制。在低、中、高不同气门升程的情况下，原始网格包含660000至710000个单元。大约一半的单元位于临界气门间隙区域，可以预料到那里是高速度和高压力梯度的。以网格质量为定性案例，单元偏态柱状图如图4所示。单元偏态是衡量一个实际的单元相比于一个完美的等边四面体的形状偏差。一个完美的单元的偏态为0，而零体积（退化）单元的偏态接近1。

图4.反映网格质量的单元偏态柱状图

网格灵敏度——通过逐步增密网格的方式来研究网格的不敏感度。除了基础的670000个单元网格的级别，在同一几何上的仿真模拟还运行使用350000个单元和850000个单元。从基础的（670 k）网格细化到精确的（850 k）网格所产生的总压力损失的结果无显著差异。例如，网格密度最高的和最初的6 50000网格单元所得到的总压力损失在总压力损失的1.8%之间。虽然对总压力损失的研究注意力主要集中在650000 ~ 70000个单元之间网格的不敏感性，但是一个真正的网格独立解决方案由于大型复杂域和k-a湍流模型在这种情况下是无法获得的。

离散化方案——离散化方案的选择将会影响最后计算解决方案的收敛速度和精度。低阶方案往往是更稳定的，而高阶计划更准确，但需要更多的计算机时间才能得出结果且不太稳定。低阶方案往往需要更精细的网格来实现网格独立性，而高阶计划可能用更少的网格加密实现网格独立性。

本研究利用一阶、二阶两个精确的离散化方案。一阶方案用几百迭代以稳定流场。二阶方案用于收敛解。这里使用的特殊的二阶离散化方案是逆向线性重建方案。

湍流建模——计算方法的最后一步是湍流建模。目前没有湍流模型可以完美的捕捉一个复杂几何图形的所有重要方面的湍流。不过，仍有几种湍流模型可以使用，正确使用它们时可以提供解决方案。直接数值模拟，即使用时间和空间的离散化方程可以很好地捕获所有湍流漩涡而无需使用湍流模型，但由于计算机能力要求高，所以不适合大范围的复杂问题。雷诺应力模型，它使用额外的传输方程求解雷诺应力，对三维复杂流动的计算量也很大。另一方面，代数和一阶方程模型，虽然相对简单、经济，但不能对这里提出的流动类型的一些重要特性做出解释。

目前最先进、可用于实际设置的湍流模型是二阶k-a模型方程。这个模型拥有两个额外的传输方程：一个用于湍流动能，另一个用于耗散率。壁面附近的处理是通过广

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