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柴油机螺旋进气道的参数化设计

何常明  
【摘要】:在获得相同进气涡流强度的前提下,螺旋进气道比切向气道更为有效且所牺牲的容积效率最小。进气道螺旋结构决定了缸内的湍流和涡流运动,因此进气道性能是影响整机性能的重要因素之一。然而要获得一个具有理想性能的进气道却是一项十分艰难的任务,目前在国内主要还是采用逆向工程方法来获取气道实体模型,关于螺旋进气道参数化模型设计的研究工作仍然较少。基于此,文中针对柴油机螺旋进气道的参数化设计进行了探索性研究。 通过建立螺旋进气道螺旋段曲线方程及启用曲线关联特性,研究出一种新的进气道参数化设计方法,建立了结构复杂的螺旋气道参数化模型。应用CFD分析软件对各气道设计方案进行了稳态流动进气过程的数值模拟计算,计算结果表明:通过调整气道性能结构参数,六种气道模型其气道性能变化十分明显。随后采用数值模拟计算和稳流气道试验相结合的方法,在验证了计算模型可靠性的前提下,引入性能结构参数K和θ,研究了各设计方案结构参数与气道性能之间的关系,通过分析和比较各气道方案的计算结果表明:改变0角度大小,气道涡流强度变化十分明显;将比例因子K控制在0.84左右,最大气门升程下的流量系数保持在0.65~0.67之间,而涡流比在1.6~1.8区间范围内变化,能够获得较为理想气道综合性能。通过调整这两个参数的数值大小,可以有效控制气道性能的变化趋势,从而确立起气道结构与性能之间的定量关系。与此同时,由于自动网格生成技术所生成的流体计算网格,总是存在少量质量较差的网格,基于上述原因,故将整个气道计算模型划分成三个流体子网域,然后应用网格任意粘结技术重新构成一个整体计算域,并实现了物理量的连续性,经过网格质量检查可以发现计算网格质量得到明显改善,从而提高了求解过程的数值稳定性和计算精度。 参数化气道模型设计方法优于传统气道设计方法,由三维造型软件直接构建的气道CAD模型与由石膏或硅胶模型经过逆向工程得到气道几何模型相比较,前者设计过程更便捷,优势更为明显,极大地降低了建模工作量。最后将稳流试验结果与模拟计算值进行了对比和分析,试验结果表明:计算值与试验结果能够较好地相吻合,二者之间具有相同的变化趋势,从而进一步证验证了数值模拟计算可有效地预测出气道性能的变化。在各个气门升程下,流量系数和涡流比其计算值与试验值的相对误差分别控制在12%和15%范围以内。对不同机型上的螺旋进气道进行稳流试验,试验数据显示其气道性能差异非常明显,从而证实了稳流试验结果的可靠性。


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