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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
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1、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
2、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
3、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 Me
4、chanical 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 evaluat
5、e 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 similarit
6、y 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 cy
7、linder 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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
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