基于STAR-CCM+对排气流量系数的模拟研究

基于STARCCM+对排气流量系数的模拟研究摘要：本文基于STARCCM+软件，采用三维计算流体力学技术对不同气门升程的排气道流场进行三维CFD数值模拟，并将计算结果同试验数据进行对比，发现两种方法获得的流量数据吻合良好，误差在允许范围内，数值模拟的精度较高，指出了排气道改进的方向。关键词：排气道，CFD，流量系数0前言发动机进排气系统的气体流动特性复杂，排气过程是否顺畅，对发动机的经济性和动力性都有直接影响，对排放性能更是至关重要。结构设计不好的排气道，排气过程气缸压力下降缓慢，将大大增加排气冲程消耗的活塞推出功。流体计算力学方式可以得到气道流场的大量微观信息，找出造成排气阻滞的关键部位，为气道的设计和改进提供重要的理论依据，使气道的改进更有针对性。1排气道的三维稳态数值模拟几何模型及网格划分排气道稳态分析的计算域包括排气道、排气门、气门座圈和气缸，为了使计算结果精确，通常还要增加稳压腔，稳压腔的设计一般跟试验设置一致，本文在入口延长气缸，长度为缸径的2.5倍，出口处设置一个长方体的稳压腔，一般足够大即可。对不同的气门升程分别进行网格划分，同时对可能影响气体流动的关键部位进行网格细化，在控制网格总数的前提下尽量保留数模设计的几何特征，还原气体流动的真实经过。将几何模型导入到Hypermesh中进行面处理，将处理好的面导入到STARCCM+中，生成计算用的体网格，体网格是六面体网格，网格数在40w左右。排气道三维模型和网格模型见图1.图1排气道三维模型和网格模型数学模型排气管内部流速不高，气道内的气体视为理想气体，三维、定常、可压缩、粘性、湍流运动根据质量守恒、动量守恒及能量守恒定律建立气道内部流体的流动控制方程，采用K-E双方程湍流模型模拟流动区域内的湍流，近壁面采用标准壁面方程处理，建立连续方程、动量方程、能量方程、湍流动能方程和湍流耗散方程，采用分离求解方式。边界条件施加流体介质为空气，视为理想气体，表2.1所示为排气道稳态计算边界，除了进出口，其他都设置成wall：表1排气道边界条件SelectionsTypeofBCBoundaryBND-InletInlet/OutletTotalpressure:2000(Pa)Hv/dv=0.16~0.36Totalpressure:6500(Pa)Hv/dv=0.08~0.12BND-OutletInlet/OutletStaticpressure:0(Pa)其他wall常温结果分析排气道计算结果的评价方法排气道的设计好坏主要通过流量系数来体现，并考察各缸流量系数的均匀性，在满足要求的前提下，流量系数越高，则排气效率越好。由于排气流量系数不均匀可能会引起排气不均匀，影响排气系统性能，因此要求平均流量系数不均匀性不得超过5%。三维结果分析下表显示了两个气道不同升程下缸内流速和气门截面流速分布。表2缸内流速和气门截面流速分布VelocityofR2_Case40VelocityofR1_Case40VelocityofR2_Case20VelocityofR1_Case20VelocityofR2_Case12VelocityofR1_Case12从缸内速度及流线分布可知，随着气门升程逐渐加大，流经气门周围空气的最大流速从70m/s逐渐增加至150m/s，由图可知，气门座圈处的几何结构对气流速度影响较大，要保证排气顺畅，此处结构设计需要留意。下图为相同气门升程下，缸内压力和流线图对比：表3缸内压力和流线图PressureofR2_Case40PressureofR1_Case40VelocityofR2_Case40VelocityofR1_Case40从压力分布可知，三缸出口汇合处有明显的流动分离，可以通过更改此处的曲率半径改进流动分离情况，减小能量损失；从流线图看到，一三缸排气时，由于壁面的引导作用，部分气体会蹿入气体缸，使流量减小，因此，壁面的倒角也是结构设计的重点关注部分。计算数据评价本计算通过软件计算得到实际流量，实际流量与理论流量的比值就是流量系数，流量系数公式如下：，为软件计算的实际流量，为理论流量，计算公式为：，（为气门座圈直径）平均流量系数是积分值，考虑气门升程和活塞位移，从TDC到BDC之间进行积分平均，为了方便积累不同气道的计算数据库，采用了一条假想的标准气门升程进行积分，气门升程仅与气门座圈直径相关。下表为计算结果及流量系数曲线，除了对比试验数据，还用另一软件对相同气道用同样方法进行了计算，流量系数不均匀性满足设计要求，与试验积分平均值误差在5%以内，符合精度要求。图2流量系数结论本文对某发动机排气道进行了三维CFD分析，得到排气道的流量系数曲线，并对流量系数进行积分评价，得到平均流量系数并与试验数据进行了对比，与试验数据吻合较好，说明这种模拟计算的方法可行。三维分析可以直观分析排气过程的流动细节，能够定位气道中影响排气顺畅的结构，可以为后续设计更改提供指导意见，对提高排气性能、缩短设计时间有较大的帮助。相同的计算方法和某软件的计算流程对比，相同的计算模型，面网格的前处理时间相当，计算用的体网格数，STARCCM+仅用不到一半的网格数就完