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1、第3期(总第127期)车用发动机No.3(SerialNo.127)2000年6月VEHICLEENGINEJun.2000·设计与计算·进排气管一维非定常流动计算方法的比较ComparisionofComputationofOneDimensionalUnsteadyFlowinIntakeandExhaustPipes方适应邓康耀崔静顾宏中(上海交通大学)摘要用有限差分法和有限体积法分别对一台自然吸气3缸汽油机的进气流动进行了模拟计算。有限体积法的质量守恒优于有限差分法;有限体积法的计算速度明显快于有限差分法。进气压力波测量与计算结果表明,两种方法均可较好地模拟进气压力波动,没有明显的
2、优劣之分。关键词:内燃机进气管排气管一维非定常流动有限差分法有限体积法中图分类号:TK402进排气系统的流动特性对发动机的整机性能影5(ρA)5(ρuA)+=0,5t5x响很大。为了预测进排气系统结构参数对流动和发25(ρuA)5(ρuA)5p动机性能的影响,对其流动模型和计算方法做了大++A+τ0dS=0,5t5x5x量的研究工作,其中比较成熟的是一维非定常流动225[ρA(e+u/2)]5[ρuA(e+p/ρ+u/2)]模型及其计算方法。5t+5x特征线自60年代后期被广泛运用于求解进排-qA=0,气管道中的一维非定常流动模型。特征线法对时间式中:ρ———密度;和空间离散均采用一阶格式
3、,精度较差,在边界条件u———速度;的处理上较繁琐,面积突变处需特意建立一套复杂A———截面积;的边界模型;另外,不便计算带废气再循环系统e———单位质量内能;(EGR)的有多种成分掺混的流动。到80年代,具有τ0———单位面积剪切力。二级精度和守恒性的Lax2Wendroff差分格式被逐渐采用Lax2Wendroff两步差分格式进行求解。用于进排气的非定常流动计算,提高了计算精度,但1.2有限体积法(FVM)其边界条件一般仍采用特征线法。进入90年代后,有限体积法在求解管系中的气体一维非定常流原先用于多维流动计算的有限体积法开始被用于计动时,将每根管子分成串接的多个体积单元。对每算进排气
4、管系中气体的一维非定常流动。该算法对一个体积单元和某一成分的气体,可以将质量、动量流量和能量等物理量具有很好的守恒性,在边界条和能量方程写成:件的处理上较简单,尤其可方便地用于带EGR系统dm等有成分掺混的流动计算,因而在国外得到了越来d=6mÛ,t越广泛的应用。dmudp=-A·Δx+6mÛu-损失项,dtdx1控制方程及其数值方法dme=6mÛh+源项,dt进排气管系中的气体流动可视为考虑摩擦、传式中:m———质量;热和可压缩的一维非定常流动,它满足质量、动量和mÛ———质量流量;能量守恒方程。e———比内能;1.1有限差分法(FDM)h———比焓。取管道中的一段微元为控制体,建立如下
5、的连求解采用交错网格,即速度u的控制体单元续方程、动量方程和能量方程。收稿日期:1999212214第一作者简介:方适应,男,1975年5月生,1997年毕业于吉林工业大学,2000年3月于上海交通大学获工学硕士学位。200030,上海交通大学动力与能源工程学院。2000年6月方适应等:进排气管一维非定常流动计算方法的比较·23·与p、e的控制体单元错开1/2网格尺寸,方程中的表1流量误差的比较对流项采用上风差分。流量误差%2发动机的试验与参数测量n/r·min-1FDMFVM为考核计算结果的精度,试验测量了一台电喷10006.29-0.05车用汽油机的进气压力波。该汽油机为4行程,180
6、0-5.84-0.153缸,发火次序1—2—3,缸径为81mm,行程为26002.68-0.0786.4mm,自然吸气,水冷,进气门前多点喷射。该38000.28-0.08进气系统结构如图1所示。其中,进气总管管径为42000.18-0.1061mm,管长为800mm,进气腔容积为1.9L;进气支5000-0.09-0.02管管径为35mm,管长为552mm。进气支管上和进5800-0.170.03气腔上各布置1个测点。试验测量了外特性各转速下的压力波。表2计算时间的比较计算时间s-1n/r·minFDMFVM1000240110180016366260015742图1进气系统示意3800
7、13438420012535500011625580096283.3进气计算的压力波与试验的比较FDM和FVM都是用于求解进排气管中一维非定常气体流动方程的数值方法,评价求解结果好坏图2压力波测点布置的方法之一是将压力波计算与实测值进行比较。为3FDM与FVM的比较此测量了发动机在全负荷速度特性各工况下进气支管和进气腔测点的压力波。分别用FDM和FVM计3.1流动计算误差的比较算试验条件下的压力波,并与相应的试验值进行比
