发动机气道三维流动特性的研究

论文摘要

气缸的气体流量、速度分布及其涡流和湍流状况等明显影响着燃烧过程,从而影响发动机经济性、动力性和排放指标,是发动机性能设计的关键技术指标之一。传统的设计方法采用基于宏观概念的经验外推法,在台架上反复调试、对比以及各种“集总”参数的半经验分析、试凑等方法,花费大、周期长、适用性不强、效果不太明显。利用现代设计理论与方法,研究发动机内的气体流动特性是目前研究的热点课题之一。采用多维数值模拟研究气道流动特征,能获得综合评价参数,得到气道内部流场的微观信息,为气道优化设计提供重要依据。论文以125发动机气道为研究对象,建立系统三维流动模型,利用Fluent软件采用有限体积法、结合局部加密技术的非结构化网格,研究了发动机进气道和缸内空气运动的特性以及进气过程中气道内气体的流速、压力以及湍动能的变化情况。通过气道稳流试验对比计算结果,两者趋势吻合良好,验证了数值模拟模型的正确性;对在不同升程、不同网格单元模型、不同湍流模型下进行了对比分析,得出增加网格单元数,计算精度并没有显著地提高,而采用RNGk-ε模型计算可以更好地处理流线弯曲程度较大的流动,结果更为准确。在此基础上,对气道进行局部优化,消除了弯曲段内侧存在的气体倒流,使最小流通截面积增大,进气阻力降低,从而使其流量系数得到较大的提高。研究结果为了解发动机气道和缸内空气的运动规律,优化进气系统提供有力的依据,具有重要的理论意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 气道流动数值模拟研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 2 发动机气道流动特性的数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 流动模型
• 2.2.1 控制容积的流动模型
• 2.2.2 微元体
• 2.3 气道流动的控制方程
• 2.4 气道流动的湍流模型
• 2.4.1 标准k-ε湍流模型
• 2.4.2 RNG k-ε湍流模型
• 3 发动机气道流场的数值计算方法
• 3.1 引言
• 3.2 流场计算方法
• 3.2.1 有限差分方法
• 3.2.2 有限体积法
• 3.2.3 有限元方法
• 3.3 SIMPLE 算法
• 3.4 发动机气道流场的边界条件
• 3.4.1 进出口边界条件
• 3.4.2 壁面边界条件
• 4 发动机气道流动特性仿真及试验
• 4.1 引言
• 4.2 三维模型的建立
• 4.3.1 网格生成
• 4.3.2 确定区域类型
• 4.3.3 求解器的设置
• 4.4 气道三维流动特性的数值模拟分析
• 4.4.1 整体流场分析
• 4.4.2 不同升程下的对比
• 4.4.3 不同网格单元数的对比
• 4.4.4 不同湍流模型下计算结果对比
• 4.5 试验验证
• 4.5.1 流量系数计算的实验方法
• 4.5.2 数值模拟中流量系数的计算
• 5 发动机气道优化
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者攻读硕士学位期间发表论文