船用低速柴油机扫气口结构对涡流比影响数值模拟与试验研究.pdf

第 4 期2023 年 8 月内燃机Internal Combustion EnginesNo.4Aug.2023效能提升船用低速柴油机扫气口结构对涡流比影响数值模拟与试验研究孙志铎1,常 鹏1,郭亚辰1,景晓军1,吴春玲1.2(1.中汽研汽车检验中心(天津)有限公司,天津,300300;2.天津大学机械工程学院,天津,300072;)摘要:船用二冲程柴油机扫气过程中的缸内流场直接影响着燃油的雾化情况,进而也对燃烧过程与排放水平有所影响,涡流比是评价缸内流场湍流强度的一项重要指标。本文首先用数值模拟的方法对某型二冲程船用柴油机进行建模,计算得到不同扫气口结构下的扫气过程的涡流比数据。随后,参考相关测试方法,结合相似准则,设计并进行了扫气口稳流试验。试验结果表明,试验能有效评估不同结构扫气口产生缸内流场涡流的能力,且试验结果与数值模拟结果在趋势上符合程度较好。关键词:船用柴油机;扫气过程;涡流比;数值模拟;稳流试验中图分类号:TK427 文章编号:1000-6494(2023)04-0014-07收稿日期:2023 年 7 月 15 日基金项目:国家重点研发计划(2022YFC3703600)作者简介:孙志铎(1991-),男,工程师,硕士,研究方向为发动机燃烧仿真与试验,E-mail:sunzhiduo ca-。通讯作者:吴春玲(1984-),男,高级工程师,硕士,研究方向为汽车发动机排放检测,E-mail:wuchunling ca-。Numerical Simulation and Experimental Research on Effect of Scavenge Port Structure on Swirl Ratio of Marine Diesel EngineSUN Zhiduo1,CHANG Peng1,GUO Yachen1,JING Xiaojun1,WU Chunling1,2(1.CATARC Automotive Test Center(TianJin)Co.,Ltd.,Tianjin 300300,China;2.School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:In the scavenging process of Marine two-stroke diesel engine,the flow field in the cylinder directly affects the atomization of fuel,and then affects the combustion process and emission.Swirl ratio is an important index to evaluate turbulence intensity of flow field in cylinder.In this paper,a two-stroke Marine diesel engine is modeled by numerical simulation method,and the swirl ratio data of scavenging process under different scavenging port structures are calculated.Then referring to relevant testing methods and similarity criterion,the steady-state stream experiment is designed and carried out to measure swirl ratios which are produced by scavenge ports of different structures.The results show that the experiment can effectively evaluate the ability of scavenge ports of different structures to generate vortex in cylinder flow field.The experimental results agree well with the numerical simulation results.Keywords:marine diesel engine;scavenge process;swirl ratio;numerical simulation;steady stream testDOI:10.20082/ki.nrj.2023.04.0030 前言在民用船舶动力装置领域,船舶柴油机已确立了主导地位,几乎已成为船舶主机的代名词。其中,大型运输船舶如油船、散货船以及集装箱第 4 期孙志铎,等:船用低速柴油机扫气口结构对涡流比影响数值模拟与试验研究15 船等,普遍选用低速二冲程柴油机作为主机。这类机型的特点是功率大、效率高、运行稳定,并且能够适应劣质燃料。这类机型大部分转速约为100r/min,甚至最低可达 56r/min1。在民用船舶柴油主机中,从功率的角度计算,二冲程(大功率)低速机的占比约为 80%;而以装机台数计算,则二冲程低速机的占比约为 60%。为了满足国际海事组织和全球各国日益严格的排放法规要求,必须对船舶低速二冲程柴油机的排放进行控制,这已经成为当前船舶动力发展的核心任务之一。目前,船舶柴油机的减排措施主要集中在预处理、机内净化和后处理等方面。此外,由于低速二冲程柴油机具有扫气行程长、气缸空间宽广的特点,缸内空气运动情况对于燃烧过程的调控、性能提升以及污染物排放的削减都具有重要影响。优化扫气过程涉及的换气系统结构参数,可以减少新鲜空气与燃烧废气的混合,提高换气的质量,增大流场湍动能,实现快速燃烧,以达到降低油耗和排放的目的2。因此,对于船用低速二冲程柴油机的扫气过程,以及其对随后的燃油喷雾和燃烧排放过程的影响进行研究显得尤为必要。船用低速二冲程柴油机体积庞大,导致其制造和试验成本高昂,开发周期漫长。且由于试验受到诸多条件的限制,目前对船用低速二冲程柴油机扫气过程的研究基本采用模型试验和数值模拟方法。目前,对于低速二冲程柴油机扫气过程的试验研究大多采用激光多普勒测速(LDA)和粒子图像测速技术(PIV)等方法,用以测量气缸内速度场和流动特性。丹麦科技大学开展了一系列船用低速柴油机扫气过程的试验研究,其中 Ingvorson等人3-4设计了模型试验台,可以模拟稳态和瞬态换气过程,并使用 PIV 方法研究了扫气口径向倾角对涡流形态的影响。在此基础上,崔磊5、张备6等研究者与中船动力研究院合作,搭建了扫气流动光学测试系统,该系统试验装置中的扫气箱、扫气口、排气阀结构与原机一致。基于该装置,作者研究了不同结构参数和试验条件对扫气流动特性的影响,主要包括扫气口数量、开度、径向倾角、扫气压力等。然而,由于稳流扫气试验中气体流动的均匀状态难以完全模拟实际情况,船用低速二冲程柴油机的扫气过程仍缺乏统一的评价体系。在数值模拟方面,张喜岗7采用大涡模拟(LES)模型对丹麦科技大学的试验系统进行仿真研究,并对比了缩小模型和原始模型的流场特性。赵峰8使用 FIRE 软件模拟了6S50MC 二冲程柴油机的扫气过程,分析了排气阀开启时刻、扫气口仰角和转速对换气质量的影响规律。此外,Liu T9等研究者设计了不同容积和结构的燃烧室,研究了各种燃烧室结构对扫气效率、平均指示压力和指示功率等参数的影响。付守利10模拟了天然气/柴油双燃料船用低速发动机在不同扫气口角度下的缸内气流速度场分布,并研究了扫气口角度对天然气和空气混合效果的影响。本文基于模拟仿真结合试验验证的方法,研究了瓦锡兰公司 X35 柴油机扫气口结构对扫气过程涡流比的影响,并参照发动机气道设计中的气道稳流试验,设计并进行了扫气口稳流试验,通过测量不同径向倾角扫气口产生的涡流比,对模拟结果进行定性验证。1 扫气口结构对涡流比影响的数值模拟研究 1.1 建立模型及划分网格本文使用流体力学软件 CONVERGE 进行模拟仿真,所模拟的低速柴油机基本参数如表 1 所示,图 1 为计算域模型和计算网格。扫气口采用波浪形设计,在原始构型的基础上调整了不同径向倾角,使用 SolidWorks 建立了径向倾角分别为 10、15和20的模型,如图 2 所示。整个计算域的三维模型包括扫气口、气缸和排气道,随后将该模型导入CFD 软件中的预处理模块中,以生成适用的计算网格,活塞在下止点的网格总数为611 130。本文采用PISO 算法和RNG k-湍流模型11进行数值模拟。表 1 X35 柴油机主要技术参数项目参数缸径/mm350单缸功率/kW870冲程/mm1550连杆长度/mm2023转速/(rmin-1)167压缩比17.316 内燃机2023 年 8 月图 1 计算域三维模型及网格(a)10径向角(b)15径向角(c)20径向角图 2 扫气口三种径向倾角设计方案1.2 初始边界条件本文选择 X35 机型的额定工况点进行仿真计算,转速为 167r/min,单缸功率为 870kW,排气阀开启和关闭的时刻分别为 115 CA 和 265 CA(ATDC)。仿真计算的时间范围从 110CA 开始,至 270CA 结束。根据实际测量值、经验数据以及一维仿真结果,确定了所需的初始条件和边界条件,见表 2。表 2 初始条件及边界条件输入参数参数值备注初始时刻/CA(ATDC)110设定值扫气压力/kPa373测量值扫气温度/K313测量值排气压力/kPa338测量值排气温度/K697测量值缸内压力/kPa1153一维仿真结果缸内温度/K1090一维仿真结果气缸盖温度/K823经验值估算活塞顶温度/K773经验值估算1.3 模拟结果对原机参数模型的扫气过程进行仿真,所得的缸压曲线如图 3 所示,得到压缩压力值 为15700kPa,试验所得压缩压力为 15030kPa,误差为 4.66%,在工程允许的误差范围内,因此计算结果可信。图 3 扫气过程缸压曲线在进气过程中,形成绕气缸轴线有组织的气流运动,被称为进气涡流。适当的进气涡流有助于促进柴油机可燃混合气的形成,并加速燃烧速率。一般使用无量纲的涡流比来评价气缸内的涡流强度。模拟结果显示,随着扫气口径向倾角的增大,涡流比逐渐增大,三种扫气口模型产生的涡流比情况如图 4 所示。第 4 期孙志铎,等:船用低速柴油机扫气口结构对涡流比影响数值模拟与试验研究17 图 4 三种径向倾角扫气口模型产生的涡流比2 扫气口稳流试验2.1 试验装置与工作原理由于低速二冲程柴油机体积巨大,开展试验研究相对困难,目前尚缺乏完善且统一的用于评价其扫气性能的试验方法和标准。为验证模拟结果中扫气口径向倾角对涡流比的影响规律,本文以相对成熟的 QC/T 1071-2016 汽车发动机气缸盖气道稳态流动特性测试方法12为基础,针对低速二冲程柴油机的特点进行改进,设计了扫气口稳流试验。虽然这种方法无法精确获取缸内气流的速度场,但通过测量气缸内某一位置的涡流比,仍然能够定性地比较不同扫气口结构产生涡流强度的能力。试验装置如图 5 所示。在测量涡流比时,风机吸气,为稳压罐和扫气口之间提供稳定的负压,使空气通过扫气口流入,经过模型缸套、管道、U型管压差计、稳压罐,最终排入大气。空气流量可根据 U 型管压差计测量的压差计算得到,并由旁通阀调节。在模型缸套中,由于扫气口的导向作用,气流产生旋转,并驱动叶片转动,叶片的转速(r/min)由光电式计数器测量。在稳压罐内压力、叶片转速、空气流量以及缸内压力保持稳定的情况下,记录这些数据,并根据相应的公式计算涡流比。图 5 扫气口稳流试验装置气道稳流试验中,用于测量转速的叶片形状存在两种选择:矩形叶片(也称为 Ricardo 式叶片)和哑铃形叶片(也称为 AVL 式叶片)。使用叶片式涡流计测量涡流比的结果受叶片的形状、尺寸、摩擦以及安装位置的影响较大。当不同试验台用于对同一模型进行试验时,其结果在数值上往往难以保持一致性。因此,该方法仅适用于在同一试验台下对不同模型进行测试,可以通过相对大小的比较,得到关于产生涡流能力的定性结果。在叶片尺寸和安装位置方面,有着统一的规定。本试验采用了 AVL 式叶片,其结构如图 6 所示,该叶片通过 3D 打印技术制作而成。AVL 公司认为,气体流出缸筒模型时会影响测量结果,因此建议将叶片安装在距离缸盖底面的距离为 S=1.75D 的位置处13,在本试验中,叶片距离扫气口顶端的高度为 1.75D(D 为缸套直径)。图 6 AVL 式叶片考虑到实际机器尺寸较大,难以按照原尺寸制造模型并进行试验,因此需要对其进行等比例缩小处理。缩小比例 C 为 2.5,即将缸径从 350mm缩小至 140mm,将缸套高度从 1550mm 缩小至620mm。由于需要使用光电式计数器测量叶片转速,缸套的材质选择了透明的亚克力板。与此同时,汽缸头、排气阀和排气管部分的结构也按照原机图纸尺寸建模并进行等比例缩小,然后使用3D 打印技术进行制造。本试验针对扫气口径向倾角改变的情况进行了研究,分别测量了四种径向倾角的扫气口所产生的涡流比,这些径向倾角分别为 10、12.5(原机尺寸)、15和 20,其余尺寸根据原机图纸确定。使用 SolidWorks 软件绘制了扫气口部分的等比例缩小模型,并通过 3D 打印技术将其制作出来。为了方便更换,扫气口部件采用了法兰结构与缸套连接,各部件结构如图 7 和图 8 所示。18 内燃机2023 年 8 月图 7 扫气口部分 SolidWorks 模型与实物图图 8 气缸模型各部件组装与拆解图2.2 扫气口产生涡流能力的评价方法稳流试验是汽车行业中评价内燃机气道性能的一种常见方法,在试验中要求气流保持稳定流动状态。然而,在实际发动机工作中,活塞和气门的运动会扰动缸内气流,导致气道内气流并不处于稳定流动状态。因此,试验中测得的涡流比数值并不能直接等同于发动机实际工作时的涡流比,而仅仅是用作定性评价的一种测试方法。即使对被测试模型进行了等比例缩小,也只是为了便于试验测量,而并未按照雷诺相似准则来设计试验条件。如果要按照雷诺相似准则来进行设计,那么气体流速应该与缩小比例成反比。以本文所研究的机型为例,在模拟的工况下,通过扫气口的气流速度为:usc=msctscAcyl(1)式中:msc为进入气缸的新空气质量,根据模拟结果,约为 0.8kg;Acy l 为缸截面积,0.096m2;tsc为扫气时间,约为 0.08s。根据带入的数据,得出扫气气流速度约为86.67m/s。考虑到本试验的几何相似比例 C=2.5,按照雷诺相似准则,缩小模型所需的气流速度应为 216.7m/s,显然试验条件无法满足这一要求。尽管如此,气道稳流试验仍然可以作为不同气道性能相互比较的一种方法。在张喜岗7进行的船用柴油机换气流动相似性稳流试验中,选取无量纲数 Eu 作为表征参数,研究了在无法满足雷诺相似准则时,不同 Re 条件下下试验结果的变化规律。其结论表明,当 Re 超过临界值(一般取 Re=50000)后,Eu 不再变化,此时湍流进入了自模化状态,即充分发展的湍流。在这种情况下,不再需要严格遵循雷诺相似准则,可以认为试验与实际流动是相似的。鉴于目前还没有统一的标准来拟定合适的稳态流动试验方法,以用于评价发动机实际工作过程中的非稳态流动情况,不同发动机开发机构根据各自的技术路线和设计目标,对进气道流动进行了不同侧重点的评价。国外四大内燃机开发机构,包括 Ricardo、FEV、AVL 和美国西南研究院,都制定了各自的测量标准。本文所参考的标准和使用 CFD 软件计算涡流比的方法更接近 AVL 方法,因此决定采用 AVL 法进行试验14。该方法假设内燃机的进气过程发生在上止点和下止点之间,进气流动过程取决于活塞排量的变化率15。在计算平均涡流比时,积分界限设定为 0。AVL 方法规定用于表征气道性能的参数包括流量系数、涡流比以及平均涡流比。在本次试验中,测量的参数为涡流比 SR。在恒压稳流试验中,假定模型气缸中稳定流第 4 期孙志铎,等:船用低速柴油机扫气口结构对涡流比影响数值模拟与试验研究19 动状态下气流的平均轴向速度就是活塞平均速度,并据此计算出此状态下假想的发动机转速 nm。涡流比定义为叶片旋转速度与假想的发动机转速之比:SR=npnm(2)式中:np为叶片转速,r/min;nm为假想的发动机转速,r/min。nm=30mAS(3)式中:m 为空气质量流量,kg/s;为空气密度,kg/m3;A 为气缸截面积,m2;S 为发动机冲程。所以,涡流比等于:SR=npnm=ASnp30m(4)空气质量流量 m 通过测量体积流量 qv计算获得:m=pqvRT3600(5)式中:p 为缸内空气压力,Pa;T 为缸内温度,K;T 为试验环境温度,294K;为试验条件下的空气密度,1.205kg/m3。2.3 试验结果及分析按照之前的设计组装试验装置,将排气阀升程安装在最大位置,打开风机,调节稳压罐的旁通阀以调节流量,使模型缸套内达到充分发展的状态。在本试验中,当风量为 112L/s 时,采用叶片风速仪测得的缸内风速为 5.8m/s,雷诺数符合试验条件:Re=Dv=0.141.2055.8020.018110-3=5407750000稳定 12min 后,记录光电计数器测量叶片转速测量的转速。重复五次测量,以消除测量误差的影响。做完第一个模型后,用同样的方法测试另外三种模型,测试数据如表 3 所示。表 3 试验测得的叶片转速径向倾角第一次转速/(rmin-1)第二次转速/(rmin-1)第三次转速/(rmin-1)第四次转速/(rmin-1)第五次转速/(rmin-1)平均转速/(rmin-1)涡流比10104.3102.6106.8107.1107.8105.71.8812.5132.4133.1127.8129.4134.6131.52.3315157.8161.4160.4158.9162.4160.22.8420200.6201.4204.3196.7198.5200.33.55 从表 3 可以看出,不同次试验测得的转速存在差异。作者认为,光电式计数器依赖于叶片反射光来进行计数,当叶片转速较高时,可能由于震动或光线干扰而导致漏计现象。试验测得的涡流比并不能准确描述实际发动机工作时缸内流场的形态,而仅仅是按照特定的评价标准,反映了风速仪放置位置附近部分气体在气缸内的平均运动情况。与图 4 进行对比,可以看出试验与模拟所得的涡流比变化规律是一致的,即随着扫气口径向倾角的增大,涡流比也随之增大。3 结 论 本次模拟和试验的结果均表明,增大径向倾角有助于提高扫气过程缸内流场的涡流比。针对 X35 低速柴油机,分别建立了扫气口径向倾角为 10、15和 20的模型,并对各模型的扫气过程进行了数值模拟。结果显示,随着扫气口径向倾角的增大,气缸内流场的涡流比也增大。本文在现有测量涡流比试验方法的基础上,设计了扫气稳流试验,测量并计算得到不同径向倾角扫气口产生流场的涡流比。试验结果同样显示,随着扫气口径向倾角的增大,气缸内流场的涡流比也增大。本文所设计的稳态流动试验克服了船用柴油机体积庞大、试验难度大的问题,能够有效地定性评价不同结构扫气口产生涡流的能力,从而为发动机进气流道的设计和研发提供了有力依据。在未来的研究中,可以进一步探讨涡流比对燃油雾化扩散、燃烧和排放的具体影响规律。受限于实际条件,本文试验模型所使用的材料性质与实际材料存在一定差距,但在未来的研究中可以进一步使试验更精确地贴近实际情况。这些努力将20 内燃机2023 年 8 月有助于深入了解气缸内流场的影响机制,为发动机性能提升和排放减少提供更多数据支撑。参考文献1 李斌.船舶柴油机(第二版)M.大连,大连海事大学出版社 2014.2 蒋炎坤,钟毅芳,罗马吉,等.二冲程发动机扫排气道缸内系统三维瞬态数值模拟研究 J.内燃机学报,2001,19(2):159-164.3 Ingvorsen K M,Meyer K E,Schnipper T,et al.Swir-ling flow in model of large two-stroke diesel engineC.Lisbon:16th International Symposium on Appli-cations of Laser Techniques to Fluid Mechanics.2012.4 Ingvorsen K M,Meyer K 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