马宏伟,贺 象,张晶辉,徐春龙,刘 胜

(1.北京航空航天大学能源与动力工程学院，航空发动机气动热力国防科技重点实验室，北京 100191；2.中国北方发动机研究所，大同 037036)

前言

合理组织内燃机气缸内的气流运动对改善燃烧、提高热效率和工质利用率以及降低污染排放和噪声具有重要意义。要提高内燃机性能，首先要求对内燃机进气道和缸内流动状态有充分认识。

气缸内流动呈现强三维性、有旋性和非定常性，这给缸内流场的精确测量造成了很大困难。过去国内对于内燃机实验研究主要采用传统的稳流实验测量流量系数和涡流比[1-2]，但这只能检测发动机整体性能，不能获得对气缸内复杂流动的直观认识，进而探索发动机内气流运动机理。文献[3]和文献[6]中将热线风速仪、LDA等多种单点测量手段应用于气缸内流动研究，但是能够提供的流场信息比较有限。近年来，PIV等高科技测试技术开始应用于内燃机的研究[7-9]，并且获得了非常详细的流场信息，但PIV设备昂贵，测量装置复杂。

氢气泡流场显示技术[10]是近几十年发展起来的流动显示技术，跟随性好、分辨率高，既可作定性观察又能作定量测量，适用于湍流和旋涡等非定常流动的研究。与其它测量技术相比，氢气泡流场显示技术所花费的代价相对较小、实验周期也比较短，而且能更直观地观察各种复杂的旋涡流动的演化。本文中采用氢气泡流场显示技术，在进气道进口布丝发泡，并通过高清摄像机记录流动图像，从而获得详细的气门出口射流、气缸内旋涡流场信息。

1 试验装置

为了能够通过流场显示技术观测到进气道内和缸内的流动结构，选用透明有机玻璃材料，采用数控加工保证模型气道与原型相同。在气道进口安装收缩转接段，以保证来流均匀。缸筒采用有机玻璃管，长度为2.5倍气缸直径。在回流式水洞中组装、搭建流场显示试验装置，如图1所示。由于缸筒左边是敞开的，故下文中将气缸顶面，即气缸盖底面称为“缸底”。

根据相似理论，本文的水洞模拟实验的主要相似准则只有雷诺数。实际上，真实的内燃机气缸内的流动状态为充分发展的湍流状态，流动处于“第二自模区”，这表明雷诺数大于第二临界值。当模型和原型均处于“第二自模区”时，此时流动状态和流速分布不再变化而彼此相似，模型和实物的雷诺数不必保持相等，模型实验的结果就可用到原型中去。因此，本文中实验通过调节水洞轮机转速来改变进气道进口流速，以保证气道进口雷诺数大于第二临界雷诺数。

在气道进口布置5根0.1mm的铜丝，连接电源阴极，阳极连接碳棒。通过电解水在阴极产生氢气泡，其直径约为发泡丝直径一半左右。使用激光片光源照亮需要观察的流动截面，通过高清摄像机对流场进行拍摄，后期采用视频软件对拍摄素材进行捕获、整理，同时对流动现象及其机理进行分析，以此认识发动机气缸内的复杂流动。图2给出了片光源水平打光和垂直打光位置。由图可见：水平打光时，通过一个气门的轴线；垂直打光时，同时通过两个气门的轴线；另外，也对气缸横截面进行打光，研究缸内旋涡流动。

2 试验结果分析

选取9.4(最大升程)、7和3mm 3种气门升程时的缸内流动图像进行分析。结果如图3～图14所示。为符合一般习惯，将影像图和水平与垂直截面流动示意图的气缸竖直放置；而气缸横截面流动示意图则按图2的方位标示。

2.1 最大气门升程状态下缸内流动

图3(a)为最大气门升程下气门出口射流，进气道出口射流沿气门切向流出，在射流与气门下方形成一个尺寸较大逆时针方向旋转的旋涡。左边缸壁、缸底和射流围成的区域存在点源，流体从片光照射平面下方向上流动。另外，气门座内明显存在较小分离，对进气道出口可能产生一定堵塞。图3(b)给出了同一截面缸内滚流流场。右侧气门出口离缸壁很近，射流撞击缸壁后，一部分流体会偏转流向气门下方，形成一个大的回流涡。从图中来看，在旋涡下游，右侧气泡迹线比左侧长，表明右侧流速整体上要大于左侧。因而，在左、右两股流动汇合时，必然会产生小尺度的非定常旋涡脉动，如图4所示距缸底约70mm位置。

图5为垂直打光截面流动图像和流动结构示意图。从图5(a)可以看出，两气门之间喷出一股速度较大的射流，在射流两侧形成一对旋涡。其中上方旋涡尺寸较大，即图4所示气门底部的回流涡和图5(b)所示左侧气门下方的旋涡。在射流另一侧形成的旋涡尺度相对较小，与缸壁射流形成一对旋转方向相反的涡结构，见图5(b)右侧气门下方。

为了进一步观察缸内的涡流运动，对气缸横截面打光，观察位置分别距离缸盖底面10、30、50、70、90和110mm。从单幅图像中很难观察到缸内旋涡结构，只能通过录像回放才能分辨出不同截面的涡流结构。因而，在仔细分析流动录像后，绘出流动结构示意图，以此说明横截面缸内涡流运动。图6给出距缸底10mm位置缸内涡流示意图[11]。射流在缸底共形成了6个大小不同的旋涡，其中旋涡1、4、5和6是射流受到缸壁阻挡而产生，旋涡2和3则是两气道射流干涉形成。随着截面远离缸底，旋涡尺度增大，但是旋涡强度减弱。图7给出了距缸底30mm位置涡流结构示意图，旋涡尺度增大。在距缸底70mm位置，如图8所示，旋涡尺度继续增大，旋涡强度继续减小，上半部分的3个旋涡不再是稳定的流动结构，而是间歇出现。在90和110mm位置，这种趋势更加明显。

2.2气门升程7mm状态下缸内流动

当气门升程减小后，气门出口左侧大旋涡明显向左侧缸壁移动，如图9(a)所示。图4中出现点源的位置完全被射流形成的大旋涡所占据，射流贴着缸底向左侧缸壁流动。气门座位置的分离仍然存在，但尺度有所减小。另外，在气门下方，右侧气门出口射流形成的回流涡的尺度增大，如图9(b)所示。同样由于左、右两侧流速相差较大，在距缸底70mm截面位置出现间歇形成的非定常的小尺度旋涡脉动。

从垂直打光截面来看，图10和图5所示的流动结构相差不大。由于气门升程减小，进气道出口流速有所减小，因而，中间射流在两侧形成的旋涡的影响范围缩小。气门下方形成的对转旋涡离缸底更近。

在7mm气门升程状态下，距缸底10mm位置气缸横截面流动(未附图)与最大升程状态下相差不大。同样，距缸底30mm位置横截面流动，7mm气门升程(见图11)和最大气门升程状态下流动结构类似，其主要区别在于3号位置涡结构非定常间歇性产生。在距缸底50mm截面位置的流动如图12所示，上半部分非定常涡流脉动比较明显，并没有出现稳定的旋涡结构，下半部分则形成尺度较大的稳定旋涡结构。图13为距缸底70mm位置截面流动示意图，上、下两部分形成旋转方向相反的涡流运动，旋涡尺度很大但强度较低。

2.3 气门升程3mm状态下缸内流动

当气门升程进一步减小至3mm时，进气道内流速明显降低，气门出口射流强度较弱，但是，整体的流动结构仍与7mm升程状态下相似。水平截面流场(未附图)与图9类似，左侧缸壁与缸底角区旋涡尺度和强度进一步减小。垂直截面的流动如图14所示，气门下方涡结构最大影响范围距离缸底约30mm，形成了两对旋涡结构，类似于文献[11]中所示的涡结构。

对于气缸横截面流场，距缸底30mm位置流动结构与7mm气门升程情况下50mm位置相似，见图12。在距缸底仅50mm位置就出现了双涡结构，与图13所示的示意图类似。

3 结论

(1) 采用氢气泡流场显示试验技术，获得了气缸内涡流、滚流等旋涡流动图像，并总结了缸内旋涡流动结构，为内燃机内复杂流动的研究提供了一种简单有效的试验方法。

(2) 不同气门升程下，缸内流动结构整体上趋于一致；距离缸底越近，射流所形成的旋涡数目越多，旋涡强度也较大；远离缸底，小旋涡逐渐汇合形成尺度较大的旋涡，但是强度有所减小，并最终演变成对称的双涡结构(除了最大升程状态)。

(3) 气门升程越小，气门出口流速越低，射流强度减弱，因而，所形成的滚流和涡流的尺度和强度也降低，双涡结构出现的位置离缸底越近。

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