圈梁钢筋计算
Internal Combustion Engine & Parts• 45 •气体发动机进气管流动特性分析
Analysis of Flow Characteristics of Gas Engine Intake Pipe
高文静淤 GAO Wen-jing；周伟伟于 ZHOU Wei-w ei；赵红兵于 ZHAO Hong-bing;
观察的近义词
张强® ZHANG Qiang
(①山东大学能源与动力工程学院，济南250061;②潍柴西港新能源动力有限公司，潍坊261061)
(①D epartm ent o f Energy and Pow er Engineering，Shandong University，Ji'nan250061，China;
②W eichai W estport INC.，W eifang261061，China)
摘要：为研究气体发动机进气管内流体流动特性，以某型气体发动机的进气管道为研究对象，利用Fluent软件对预处理好的三维 模型进行仿真计算，得到混合均匀性分布情况及进气管中的流场分布。对进气管中的流场进行分析，结果表明：混合器结构和弯管曲 率对进气管内压力分布有着重要影响，进而影响各缸均匀性。对混合器和弯管结构参数进行优化，可使各缸进气均匀性得到改善。
Abstract:In order to study th e fluid flow characteristics in th e intake pipe o f th e gas engine,a three-di
m ensional m odel w ith pretreatm ent was sim ulated by Fluent so ftw-are,then th e distribution o f th e gas m ixture u n ifo r^n ity and th e flow field in th e inlet pipe w ere obtained.After analyzed th e flow field o f air inlet pipe,th e results sh ow that th e structure o f m ixer and curvature o f th e eblow have im portant influence on pressure distribution in th e inlet pipe,then affects th e uniform ity o f each cylinder.O ptim izing th e param eters o f th e m ixer and elbow,th e uniform ity o f th e intake o f each cylinder can be im proved.
关键词：进气管；混合器；流场分析
Key words:intake pipe；mixer；flow field analysis
〇引言
在煤炭和石油资源日趋枯竭的今天，气体燃料以其自 身特有的一系列优势，日益受到大家的广泛关注，也逐渐 受到各国研究者的广泛关注和重视[|]。
多缸发动机的进气均匀性对发动机的整体性能有着 非常重要的影响，对于采用混合器供气方式的气体发动机 的进气系统提出了更大的挑战。进气系统的结构，影响着
作者简介：高文静（1991-)女，山东临沂人，研究方向为动力工 程，山东大学在读研究生。进气管内
混合气浓度分布以及各个气缸的进气量，进入各 个气缸的混合气不相同，就代表着各缸燃烧做功时的工质 的量不同，使得各个气缸的燃烧过程存在差异，各缸的热 负荷不均匀，发动机的排放难以控制，甚至会使某一气缸 缸内燃烧过程出现异常，如爆燃、部分燃烧等现象，该缸做 功能力下降，影响发动机的整体性能124]。
本文利用FLUENT软件对采用混合器供气方式的气 体发动机的进气管道进行三维仿真计算，进气管中流体的 流动情况进行分析，分析出进气管结构对燃气与空气在进 气系统中的混合过程及各缸进气均匀性的影响，为解决气
使主轴承载荷分布更加均匀，能更加真实地模拟曲轴载荷 的变化。
3结论
①分析模型包括曲轴、连杆组、活塞组部件，多刚体动 力学仿真模型能够真实的反应各部件的运动规律，能真实 模拟各个零件在工作中的约束、载荷。②通过刚性系统和 柔性系统的对比，柔性系统能更真实地反映曲轴在工作状 态下的载荷分布情况。③通过轴承载荷图可以清晰地发现 各个轴颈最大处的应力，并且在这些位置应尽量避免布置 油槽、油孔，在设计中应该予以考虑。
参考文献：
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• 46 •内燃机与配件
体发动机进气均匀性的问题、提高发动机的整体性能提供
一定的参考。
i数学模型
流体在管道中的流动都要受到质量守恒、动量守恒和
能量守恒等一系列基本守恒法则的约束。流体在发动机进
气管道中的流动是非常复杂的三维湍流流动[5]。K-着模型
是目前在仿真计算中使用最广泛的湍流模型，湍流输运方
程由湍流能量输运方程和能量耗散输运方程表示[(-]。
湍流能量输运方程：
能量耗散输运方程
上式中，子表示雷诺应力的涡粘性模式，t=2^,(Sj- 3…,5,/3)-2籽让籽5,/3，其中滋，涡粘性，S j为平均速度应变率张 量，籽为密度，为湍动能，5,j为克罗内克算子，为湍流耗 散率，其中等式右端项均分别表示生成项、耗散项和壁面项[9]。
本文中进气混合均匀性由燃料质量分数最大偏差（5)衡量。
5=U_x i〇〇%c
M ag
其中，式中M_为燃料质量分数最大的一缸的燃料质 量分数，M_为燃料质量分数最小的一缸的燃料质量分 数，Mag为各个气缸质量分数的平均值。
2计算模型与边界条件
2.1计算模型
图1计算域三维网格模型
本次研究采用如图1所示的进气管系统模型，为了获 得更接近实际的流场分布和混合气混合情况，避免出□出 现回流对流动的影响，该模型保留了进气道和缸套结构。该模型中的混合器采用十字交叉式加圆周进气的方式，如图2所示。其中混合器的十字交叉管的各个出□均匀分布 在同一平面上，圆周的各个出□亦采用均匀分布，混合器 各出□的分布情况如图3所示。
由图2和图3所示的计算所用的混合器模型可以看 出，混合器的流动区域有很多细小的结构，为了保证计算 的精度，在对混合器进行网格划分时，采用较细密的网格，以保证其与实际流动区域的一致性。本次模拟计算的模型 共用了 2215426个四面体网格来描述，三维四面体网格是
图2混合器模型
解酒的水果图3混合器各出口分布
在二维三角形网格的基础上生成的。
2.2边界条件设置
蔡明将仿真计算网格文件导入FLUENT软件中边界条件 设置并求解。本次计算的主要目的在于研究对于采用混合 器供气方式的气体发动机燃料流动过程及混合气混合均 匀性的具体情况，采用稳态计算模式。计算中，入□边界采 用质量流量入□，即通过换算得到空气入□处空气的质量 流量和燃料入□处燃
料的质量流量；出□设置为压力出 □；壁面采用标准固壁、无滑移边界条件，壁面的法向和切 向速度为0[|0]。流动状态设置为湍流，湍流模型使用K-着模型。
3计算结果及分析
利用FLUENT软件进行三维仿真计算后，经fluent后处理得到该模型混合均匀性结果如表1所示，其燃料质量 分数分布云图如图4所示。由表1中数据可以求得燃料质 量分数最大偏差啄=8.91%，混合均匀性一般；且结合图4 中燃料质量分数分布云图可以看出，1缸、2缸和3缸燃料 质量分数差别不大，4缸、5缸和6缸燃料质量分数也十分 相近，1缸、2缸和3缸燃料质量分数整体高于4缸、5缸 和6缸，即位于弯管内侧所在侧的各缸燃料质量分数明显
高于弯管外侧所在侧的各缸燃料质量分数。
Internal Combustion Engine & Parts• 47 •
表1燃料质量分数
位置燃料质量分数
1缸0.03941
2缸0.03946
3缸0.03964
4缸0.03711
5缸0.03637
香椿怎么腌制好吃
6缸0.03625
图4各缸燃料质量分数分布
燃料入口
橫截面级向切面水平切面
图5混合器周围压力分布
由图5中混合器处不同方向切面压力云图可以看出，混合器处管道内下部的压力相对偏低，故该处与燃料入口 的压差相对较大，位于混合器下部的出口流出的燃料相对 偏多，使得管道下部的燃料相对较多。
截面1截面2截面3截面4低的现象，而流体流动过程中流线会由压力高的地方向压
力偏低的地方偏移，造成流体流经该段管道时流线呈现整
体向下且向弯管内侧倾斜的趋势，造成靠近弯管内侧的位
置燃料浓度较靠近弯管外侧的位置高。
图7流场分布图
对混合器不同出口的流线进行比较分析，发现在管道
内部压力和弯管形状的共同作用下，使得最终流入1缸、2
缸和3缸的燃料主要由流经弯管时，流经一个相对较小的
角度得流体组成；最终流入4缸、5缸和6缸的燃料主要
由流经弯管时，流经一个相对较大的角度的流体组成；故
1、2、3缸燃料质量分数整体高于4、5、6缸燃料质量分数。
综上所述，该模型由于混合器至弯管部分（特别是弯
管部位）压力分布不均匀，造成流线由压力高处向压力低
处偏移，在弯管处经小角度转弯的燃料多于在弯管处经大
角度转弯的燃料，最终导致1缸、2缸和3缸的混合气浓
度较4缸、5缸和6缸混合气浓度偏高，最终导致混合均
匀性差。
4总结
分析仿真计算结果可知：1)进气总管内的压力分布
(特别是混合器周围的压力分布）对其内部流场分布和各
缸混合均匀有着重要的影响。可以通过改进混合器的结构
使进气均匀性得到优化。2)进气总管中的弯管的曲率对各
缸混合均匀性有着重要的影响。理论上，改进弯管的曲率
可以使混合均匀性得到改善。
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图6压力分布图
结合图6中混合器至弯管段管道横截面的压力分布 云图可以看出，该段中靠近混合器的截面1处，管道下部 压力较管道上部压力偏低；位于弯管前的截面2处的压力 分布为靠近弯管内侧偏下的位置压力相对偏低；由弯管部 位的截面3、截面4的压力分布可以看出，弯管处压力分 布呈现压力由弯管外侧向弯管内侧减小的趋势。
采用流线和速度矢量图来展现该模型内部流场的仿 真结果，如图7所示。由图7中可以清晰的看出在混合器 后至弯管前的管道内流线呈现整体向下偏斜的趋势，主要 由于该段管道内呈现下部和靠近弯管内侧的部位压力偏
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