陈晨　苏蓉　汪帆　于鹏　尹宗军　彭闪闪

摘 要：发动机作为汽车的动力来源，研究发动机的混合气混合特性对于提高汽车的使用性能具有至关重要的作用。文章通过基于VOF界面追踪的算法，得到了进气过程中可燃混合气流动过程的流体相图、缸内压力和速度云图，帮助理解了气缸内流动、涡旋、喷雾过程以及混合气形成过程。关键词：VOF;气缸;流动;涡旋中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）02-31-03

Abstract： As the power source of automobile， it is of importance to study the mixing characteristics of engine for improving the performance of automobile. Based on the VOF interface tracking algorithm， the fluid phase diagram， cylinder pressure and velocity nephogram of the combustible mixture in the intake process are obtained， which will help to understand the flow， vortex， spray process and mixture formation process in the cylinder.Keywords： VOF; Cylinder; Flow; VortexCLC NO.： U464  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）02-31-03

前言

发动机的工作过程中，进排气过程直接影响着发动机的动力性能指标、经济性能指标和排放性指标，而燃烧室形状会影响混合气混合、燃烧和排放性能。近年来，随着国内外学者的研究，伴随着计算流体力学、传热学等理论的不断完善和计算机技术的不断发展，计算机数值模拟实验对这一方面的研究应用也越来越广泛。

张国庆^[1]对进排气过程中的气体流场进行模拟，分析了气体运动的速度场和压力场等参数的变化。孙济美^[2]等人发展了一种可用于发动机进气门处流场计算的紊流模型。章炜^[3]等人展示了气缸内温度场、压力场、湍动能分布等流场变化云图。向梁山^[4]分析了柴油机缸内流场、喷雾发展形态、喷雾液滴的空间分布及燃油浓度分布情况。舒歌群等人^[5]研究了喷雾夹角对柴油机性能的影响，对不同喷雾夹角的燃烧过程进行了数值模拟，结果表明喷雾夹角会影响到燃油的雾化与燃烧。

本文通过对发动机进排气过程进行瞬态数值模拟，通过ICEM建立模型并进行非结构的网格划分，然后在通过Fluent软件对发动机气缸内的二维流场进行简单的模拟，在Fluent求解器中设置相应的参数和边界条件得到相应的模拟计算结果，根据计算结果来对燃烧室进行优化。

1 计算模型的建立与计算

本文研究的发动机的气缸二维模型相对简单，所以通过对实物图中数据研究的一些几何信息，直接采用ICEM CFD软件来建立发动机气缸的流场物理模型。发动机气缸空间结构的二维模型中尺寸为长262mm，宽94mm，进气口尺寸为31mm，与气缸上平面成45度角，模型建立之后我们在ICEM CFD网格划分模块中用四边形和三角形格对模型进行网格划分。然后导入Fluent软件看是否可以进行计算和分析，如果不能再对网格的质量进行调整，直到计算的精度和效率符合要求为止。初步网格形成之后当网格生成以后，我们需要检查网格的质量，此过程关系到网格是否能够在Fluent软件中计算，一定要注意网格的单元的面积不能为负值。下图1是初步形成的网络图：

为了简化模拟计算过程，将气缸的排气口和出口设置为固定壁面，同时气缸的燃烧室的上壁面、活塞的上表面、气缸的两边的边界都设为固定壁面，这样也方便导入Fluent中计算。并且将活塞位于下止点时的活塞上表面也简化为固定壁面去研究缸内气体的流动情况。这样不仅可以大大的简化计算量，也可以得出相接近的计算结果。入口边界设为速度进口，进气气流参数为：马赫数为2.2（即声速的2.2倍），总压力0.785MPa，总温度为300K。柴油由喷油器通过进气口喷入气缸，在气缸中与空气混合形成可燃混合气。混合气的射入速度为70m/s，柴油的物理参数：密度0.83g/cm³，其粘度为40mPa^.S。

以下为设置的参数及边界条件：检查网格的质量，注意网格不能有负值，检查模型的参数及单位;设置计算模式为瞬态;设置多相流为VOF（流体体积）模型，欧拉相的数目设为2相;设置两个不同的流体相，第一相为柴油与空气的混合气，第二相为气缸内的废气（接近真空），将柴油与空气按理论空燃比14.3混合，计算出混合气的密度和粘度;设置边界條件的进气口为速度入口，由于进气过程中，排气口是关闭的，为了简化计算过程，将其它的边界都设置为固定壁面，同时设置好速度入口的参数（速度和压力），入口的速度方向设置为垂直于进气口，其他参数保持默认即可;通过计算可以得出发动机转速在2000r/min时，进气的时间大约是0.015s。所以设置时间步长为10^-7s，设置时间步数为2*10⁶，当计算至0.015s左右时，停止计算即可得到计算结果。确认所有参数设置正确之后，进行最后的模拟计算。最终在Fluent中得出计算的流体相图、速度云图以及压力云图，将计算结果导入CFD-POST中进行后处理，得出相关的图并制作计算过程的相关动画。以下是在CFD-POST中进行后处理得出的结果：

（1）图2红色代表混合气的体积分数为100%，也就是全部为混合气，蓝色则代表混合气的体积分数为0%，其他的颜色则代表的是混合气的体积分数位于0-100%之间，即为混合气与缸内空气混合后的体积分数，由计算的结果图可以看出最后的混合气的体积分数较高的红色基本位于燃烧室附近，这是一种比较理想的发动机气缸燃烧室。

（2）图3在进气过程中随着气缸内部平均压强的不断增大，在进气过程的末期缸内大部分区域的压力也趋于稳定，这说明缸内压强分布均匀化，有利于混合气的燃烧。

（3）图4气流在气缸壁的作用下，在进气门的两侧产生了两个滚流。一个是进气门右侧的气流在气缸侧壁的导向下产生的滚流，另一个是在排气门左侧压强和气缸顶部的测压产生的滚流。随着气体的不断喷入，缸内气压也逐渐增大，进气门右侧的滚流也逐渐增大，当滚流的强度达到了最大值，在气缸的下部有又形成了一个滚流，这三个滚流在气缸内逐渐平稳，使得混合气开始慢慢充斥了整个气缸，使得气缸内部气流速度的均匀化，滚流的形成有利于燃料与空气的混合和扩散。

（4）由图5可以看出，在进气过程末期，气体在气缸内部形成了三个滚流。一个是在排气门下方形成的较小的滚流，一个是在气缸中间位置形成的较大的滚流，还有一个是在活塞上方的最大的滚流以及其它的空间夹杂着很多的乱流，这样的流动方式对缸内气体的混合非常有利。

2 结论

通过这次模拟计算发动机气缸的进气过程，得出了进气

过程中可燃混合气的流动过程的流体相图、缸内压力和速度云图，通过这些图的分析，我们可以清晰的理解气缸在进气过程中混合气的流动情况，对发动机气缸燃烧室的设计和优化提供帮助。

参考文献

[1] 张国庆.内燃机进排气过程数值模拟[D].太原：中北大学， 2013.

[2] 孙济美，牟永泉，董愚.發动机模型进气道内气体流场的模拟和实验研究[J].内燃机学报， 1989（2）：117-123.

[3] 章炜，左承基，于富强.直喷化1105柴油机燃烧过程的三维模拟仿真及分析[J].小型内燃机与车辆技术， 2007（3）.

[4] 向梁山. TY3100非道路用柴油机喷雾燃烧三维数值模拟研究[D]. 武汉理工大学， 2011.

[5] 舒歌群，马维忍，许世杰，et al.喷雾夹角对柴油机性能影响的数值模拟[J].工程热物理学报，2008， V29（7）：1239-1242.