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原文传递柴油机双进气道仿生减阻增涡研究

论文题名：	柴油机双进气道仿生减阻增涡研究
关键词：	汽车柴油机;双进气道;仿生功能表面;导流叶片;流通特性
摘要：	降低能源消耗，改善环境污染一直是科学技术发展的重点，内燃机高效清洁燃烧，对实现环境保护具有重要意义。车用柴油机主要使用高速直喷式柴油机，依靠缸内高压高温环境压燃点火，混合气形成时间短，时空分布极不均匀，直喷式燃烧室分为开式和半开式两种，半开式燃烧室主要用于中小型高速柴油机。半开式燃烧室需要较强的进气涡流，为混合气的形成提供能量，改善缸内气流流动，使油气混合更加均匀，有利于提高火焰传播速度和促进充分燃烧。进气涡流强度主要取决于进气道设计，一般情况下，提高进气涡流强度会引起流量系数的下降，流量系数是评价发动机换气过程完善程度的参数，主要由进气系统的阻力决定。因此，通过改善进气道的流通特性，减少进气阻力，提高进气涡流强度及流量系数，对提升柴油机燃烧效率、降低油耗具有重要意义。　　由于仿生技术在流体减阻方面的广泛有效应用，本文以鲨鱼体表盾鳞表面结构及鸟类、昆虫类体表形态为仿生模本，提取并优化单元体形态、尺寸，构建仿生功能表面，解析不同仿生功能表面的减阻机理；研究仿生功能表面进气道的流通特性；为进一步增强进气涡流，研究了导流叶片对进气道流通特性的影响；最后将效果较好的功能表面进气道与导流叶片相结合，进一步研究了组合进气道的减阻增涡效果。本文的主要研究内容和结论如下：　　1）依据仿生模本，提取优化了4种类型不同尺寸的仿生功能表面，通过CFD数值模拟分析了不同仿生功能表面的减阻特性。研究发现仿生功能表面可以增加边界层的厚度，提高近壁面的速度，降低边界层速度梯度，进而减小阻力。不同功能表面边界层厚度存在差异，边界层厚度随速度的增大而减小，边界层内部湍流脉动较大。进一步研究了间隔直沟槽及凹坑单元体的尺寸优化范围，结果表明间隔直沟槽功能表面减阻率在同一深度下随沟槽宽度的增大先增大后减小，同一宽度下随沟槽深度的增大而减小；凹坑功能表面的减阻率在同一深度下随凹坑宽度的减小而增大，同一宽度下随凹坑深度的增大而增大。　　2）将优化后的间隔直沟槽和凹坑仿生功能表面应用到柴油机双进气中，对其流通特性进行研究。与光滑型表面共同构成2水平3因素的全面试验，确定了9组不同仿生功能表面双气道组合方案。通过稳流台架试验研究了其流通特性，采用CFD计算分析不同组合气道进气过程中的流场分布，借助PIV技术研究柴油机仿生功能表面进气道缸内速度场分布，与CFD相互验证。得到了各仿生功能表面进气道减阻增涡效果。　　3）对加装导流叶片的进气道流通特性进行研究。对双进气道进气气流干涉研究发现在螺旋进气道前端加装导流叶片具有较好的综合效果；通过均匀设计的方法确定9组不同参数的叶片方案，将其加装到螺旋进气道前端，通过稳流台架试验进行流通特性分析；采用C FD数值模拟研究了各导流叶片方案不同气门升程下的缸内速度、涡量、湍流强度等流场分布；对效果较好的方案采用PIV测试技术进行对比分析。研究结果表明，在螺旋进气道前端加装导流叶片对进气道流通特性具有较好的改善效果，与基础模型相比，导流叶片高度为6mm，长度为65mm，角度为24°时综合改善效果较好，对导流叶片参数进行优化后发现气门最大升程时导流叶片长高比范围为6.5~24.5，叶片角度为16.2~30.5°时，增涡效果较好。　　4）设计了在仿生功能表面进气前端加装导流叶片的组合方案，研究了各组合方案的流通特性。将综合效果较好的仿生功能表面进气道与导流叶片相组合，构成了12种不同的组合方案，通过稳流试验对各组合方案的流通特性进行研究；分析了各组合方案的流场分布情况。结果表明，将导流叶片添加到仿生功能表面进气前端，与基础方案相比各组合方案流量系数波动范围在-4.3%~1.7%之间，涡流比增幅在16.1%~38.6%之间。其中，切向和螺旋进气道内壁面均为沟槽仿生功能表面且前端加装高度为6mm，长度为65mm，角度为24°的导流叶片时，综合效果较好，此时涡流比增幅为37.438%，流量系数增幅为0.221%。
作者：	郭运珍
专业：	载运工具运用工程
导师：	隗海林
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022