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发动机多缸机缸内流动CFD分析 摘要：本文运用STAR-CD软件，对某发动机单缸机和多缸机缸内流动进行仿真，对比分析了发动机单缸机和多缸机缸内流动的差异，以及造成单缸机和多缸机各缸流动差异的原因。结果表明；单缸机和多缸机各缸进气道入口截面速度分布、峰值大小及相位的不同是引起流动差异的原因，多缸机进气时各缸进气歧管间的相互影响是导致各缸缸内流动参数差异的主要原因。明确了发动机缸内流动规律，为发动机设计提供有益指导。 关键词：多缸机、缸内流动、非定常、CFD 0引言 发动机缸内流动对缸内油气混合和燃烧过程有决定性的影响。组织合理的缸内气流流动对提高发动机性能不可或缺[1-2]。目前国内外对单缸机和多缸机各缸缸内压力等参数都进行了大量的试验研究[3]。因试验周期长，成本高，通过建立发动机三维模型模拟发动机缸内气体流动越来越受到重视[4-5]。发动机实际工作过程是一个瞬态过程，考虑到计算资源和工程实际需求，目前对发动机缸内流动仿真多是基于单缸机进行的非定常仿真计算[5]。发动机实际工作过程中，因各缸之间流动相互影响，而单缸机缸内流动计算未考虑实际各缸流动之间的相互影响，因此有一定的局限性。 为明确多缸机缸内流动规律，分析单缸机和多缸机缸内流动参数的差异及造成差异的原因，本文利用STAR-CD，对单缸机和多缸机缸内流动进行非定常仿真计算，为发动机设计提供有益指导。 1模型建立 1.1几何模型 本文以某车用四缸四冲程汽油发动机为研究对象，图1为几何模型。 （a）单缸机模型 （b）多缸机模型 图1几何模型 1.2网格划分 对单缸机，利用STAR-CD/es-ice模块，采用trimmer方法创建三维动网格，网格尺度为0.8mm，并对进/排气道作适当的延长处理，总计算网格数约76万(下止点位置)，如图2（a）所示。 对多缸机，气缸部分动网格和单缸机划分方式相同，进/排气歧管利用STAR CCM+生成体网格，网格尺度为1.2mm。利用STAR-CD/es-ice模块把气缸动网格和进/排气歧管体网格组装完成多缸机计算网格[6]，计算总网格数约450万(一、四缸上止点位置，二、三缸下止点位置)，如图2（b）（未显示进/排气歧管）所示。 （a）单缸机网格模型 （b）多缸机网格模型 图2 计算网格模型 1.3物理模型和边界条件 利用Prostar设置模型参数：采用k-ε/RNG湍流模型，近壁区采用标准壁面函数法求解，对控制方程采用有限体积法进行离散。连续方程、动量方程、能量方程及湍流控制方程采用高阶离散格式。 边界设置：活塞及进/排气门壁面设置为运动壁面。单缸机进气道入口设置为总压和温度，排气道出口设置为静压和温度。多缸机进气歧管入口设置为总压和温度，排气歧管出口设置为静压和温度，各缸工作顺序为1-3-4-2。单缸机和多缸机其余边界设置为壁面。 计算选择5500rpm全负荷工况。未引入喷雾和燃烧计算。边界条件值由试验结果标定的GT-Power模型计算得到。 2 结果分析 2.1 进气量 图3为单缸机和多缸机各缸缸内流动计算统计的进气量。图中Ci（i=1-4）表示多缸机的第i缸，single_cylinder表示单缸机。从图可以看出，单缸机计算的进气量小于多缸机计算得到的各缸缸内进气量。多缸机各缸进气量的平均值比单缸机计算的进气量高4.22%。 图4给出了多缸机进气量不均匀度。第i（i=1-4）缸中参数Фi的不均匀度γi定义为：γi=4（Фi-ΣФi/4）/ΣФi*100%，不均匀度绝对值越大，缸内参数差异越大。进气量不均匀度最大值为0.56%，各缸进气量差异较小。 图3单缸机和多缸机各缸缸内进气量 图4 多缸机各缸进气量不均匀度 2.2 湍动能和滚流比 图5和图6给出了缸内平均滚流比和湍动能随曲轴转角的变化图。从图中可看出，单缸机缸内平均滚流比和平均湍动能整体上高于多缸机各缸缸内平均滚流比和平均湍动能。点火时刻，单缸机缸内平均湍动能比多缸机各缸缸内平均湍动能的平均值高19.94%。 多缸机各缸缸内平均滚流比峰值在相位和数值上也存在差异：第1、4缸峰值高于第2、3缸峰值，而第1、4缸峰值相位滞后于第2、3缸峰值相位。同时第1、4缸的缸内平均湍动能高于2、3缸的缸内平均湍动能。图7给出了多缸机各缸点火时刻缸内平均湍动能不均匀度，最大值在5%以内，相对差异也较小。 图5 缸内平均滚流比 图6 缸内平均湍动能 图7 多缸机各缸湍动能不均度 2.3 原因分析 因多缸机各缸缸体模型和单缸机缸体模型相同，因此多缸机各缸内流动及和单缸机缸内流动