1、 收稿日期 ：；修回日期 ：基金项目 ：云南省应用基础研究基金项目 （）；云南省内燃机重点实验室开放基金项目 （）作者简介 ：王鑫鑫 （），女 ，硕士 ，主要研究方向为内燃机结构设计与优化 ；。柴油机螺旋进气道三维造型设计与分析王鑫鑫 ，雷基林 ，申立中 ，毕玉华 ，贾德文（昆明理工大学云南省内燃机重点实验室 ，云南 昆明）摘要 ：针对 的曲线 、曲面和实体模型构建等问题 ，采用了基于草图和基于实体两种方法建立了柴油机螺旋进气道的三维模型 ，实现了进气道局部的参数化设计 。利用数值模拟和测试试验相结合的方法 ，验证了计算模型的可靠性 ，对气道在不同气门升程下的流动特性进行了分析 。结果表明 ，
2、涡流比和流量系数随气门升程的增加而增大 。关键词 ：螺旋进气道 ；柴油机 ；参数化设计 ；计算流体动力学中图分类号 ：文献标志码 ：文章编号 ：（）在柴油机进气过程中 ，进入气缸的空气量 、气体的速度分布和涡流状况等严重影响着燃烧过程 ，从而直接影响发动机的功率 、油耗 、扭矩 、噪声 、稳定性和排放等 ，可以说 ，进气道的质量关系到整机的性能水平。传统的螺旋进气道设计主要采用经验设计和反复试验相结合的方法 ，周期长且具有一定的盲目性 。近年来 ，技术逐渐完善 ，已成为深入研究气道及缸内气体流动特性的有效方法 ，为优化气道特性参数提供了有力的工具 。螺旋进气道的三维造型设计是整个分析过程的基础
3、 ，要求设计出的气道模型既要满足光顺性 ，又要实现后续模型修改的易操作性 。因此 ，曲面构建方法是高效率高质量完成螺旋进气道设计的关键 。本研究选择平台研究了螺旋进气道的正向设计 ，利用其基于特征和基于草图两种参数化建模方法 ，为气道的敏感部位添加了尺寸驱动 ，通过调整参数大小建立了具有不同几何参数和性能的气道模型 。采用计算流体动力学 （）三维模拟与稳流试验研究相结合的方法 ，详细了解该进气道 、气门附近和气缸内的速度场 、压力场以及涡流比 、流量系数等宏观性能参数 ，为气道设计及燃烧系统的匹配提供依据 。 进气道的正向设计从三维造型的角度看 ，可以将螺旋进气道分成个主要部分 ，即导向部分
4、、螺旋室部分和过渡部分 。根据这样的结构特点 ，确定建模的基本思路 ：先确定进气口的形状和位置尺寸 ；利用表达式和规律曲线功能建立螺旋段的螺旋线 ；确定最小截面的形状和位置 ；根据进气口和最小截面完成直流段的构建 ；创建螺旋段曲面 ；完成过渡部分并对曲面进行修补 ；对曲面进行缝合并检查曲面的光顺性 。 设计基准与约束条件设计基准与约束条件主要包括气缸中心线 、气门中心线 、气缸盖底平面 （以气缸中心线与气缸盖的平面的交点为坐标系原点 ）、气缸盖侧面与进气道连接面及进气道进口截面的几何尺寸与位置 、气门座圈上平面位置及圆的直径 、气门导管凸台的几何尺寸与位置等，进气道的位置尺寸见图。图 进气道在
5、气缸盖中的定位 进气口的形状和位置导向部分的起始端为进气口 ，末端为最小截面 。进气口面积对气道性能影响很大 ，其中心距气缸盖第 期 （总第 期 ）年 月车用发动机 （ ）底面的距离决定着整个气道的坡度 。进气口通常设计成矩形 ，四角倒圆 。根据矩形的边长 、圆角和中心图 进气入口的定位坐标即可唯一确定进气口的位置形 状 （见 图）。进气口的参数化利 用 草 图 来 实现 ，草 图 中 的 几何约束控制其空间 位 置 ，尺 寸 约束驱动截面的尺寸 。 螺旋曲线螺旋曲线是整个建模过程的关键 ，它不仅决定着螺旋段的各项参数 ，也是确定最小截面形状和位置的重要参考 。在中绘制螺旋线有种方法 ：表达式
6、法建立变螺距螺旋线的参数方程 ，通过 “规律曲线 ”调用该方程 ，从而绘出变螺距螺旋线 。参数方程的建立可以直接在 “表达式 ”对话框中输入 ，也可 先 用 “记 事 本 ”输 入 参 数 方 程 ，并 保 存 为“”文件 ，再通过 “表达式 ”直接调用 。“缠绕 展开曲线 ”法把螺旋线展开至一平面 ，得到的是一段直线 ，根据螺旋线的这一特性 ，可以通过 “缠绕 ”逆向求得此变螺距螺旋线 。扫掠法在 “扫掠 ”对话框中的 “截面选项 ”中设置 ，方位为 “角度规律 ”，规律类型为 “沿脊线的线性 ”，在引导线上依次选择个特殊位置 （在扫掠过程中 ，截面线从起始到每圈螺旋线结束 ），并定义截面线
7、从起始位置扫掠至此的角度 。规律延伸法使用 “规律延伸 ”命令 ，设置类型为 “矢量 ”，选择直线作为 “基本轮廓 ”，指定参考矢量为 “”，在直线上依次选择个特殊位置 ，并定义参考方向上的长度 、角度规律 。为了得到比较好的螺旋段的形状以及更好的涡流效果 ，通过参阅文献及反复调试 ，采用表达式法 ，选取不同的规律曲线作为螺旋段的轨迹线 ，阿基米德螺旋线和标准连锁螺线示意见图。图 阿基米德螺线和标准连锁螺线阿基米德螺线 ：（）。 （）式中 ：为曲线放大倍数 ；为曲线旋转角度 。标准连锁螺线 ：。 （）式中 ：为极坐标系下曲线半径 ；为坐标系下曲线与坐标轴夹角 。将极坐标下的螺线方程转换成直角坐
8、标系下的参数方程 ，同时考虑到三维模型螺旋段具有一定的坡度 ，即螺旋坡角 ，要控制其在方向的变化 ，因此 ，添加了以下参数方程 ：（）（）。 （）调整参数使之满足螺旋段的形状要求 ，条控制曲线的表达式为 ： （）（） （）（） （）烅烄烆，（） （）（） （）（） （）烅烄烆，（） （）（） （）（） 烅烄烆。 （）由表达式创建出来的螺旋线见图中虚线 。图 由表达式创建的螺旋线对螺旋线进行修剪 ，删除多余的部分 ，保证螺旋线在由缸盖螺栓孔拉伸起来的个缸盖螺栓范围之内 。螺旋线螺旋半径会影响螺旋气道的螺旋坡角和偏心距等参数 ，通过改变表达式参数改变半径就能得到不同的螺旋形状 。 最小截面最小截面
9、位于涡壳前方 ，其形状 、方位和面积直接影响气流流入涡壳的速度及两股气流的分配 ，通常将截面设计成封闭的平面曲线 。根据已定义好的曲线 、已知的最小截面面积 ，同时考虑导向部分弯曲半径 ，使用曲线功能确定最小年 月 王鑫鑫，等 ：柴油机螺旋进气道三维造型设计与分析 截面的形状 。中曲线的类型有直线 、圆弧 、样条线等 ，设计中常用样条线 ，一般选用 “通过点 ”的方式 ，阶次多为阶 。尽管阶次越高精度越好 ，但是随着阶次的提高 ，曲线的柔软性越来越差，使后续调整困难 。曲线的光顺性很大程度上影响模型表面的光滑度 ，因此需要对样条线进行调整 ，使用 “光顺样条 ”功能 ，可以消除调整过程中出现的
10、小缺陷 。 导向部分曲面在气道入口平面构建与各螺旋线相对应的垂直于平面的直线 ，利用的 “桥接曲线 ”功能 ，将修剪后的螺旋线和直线进行桥接 ，即完成引导线的绘制 。这些桥接曲线为三次曲线 ，这种曲线不通过给定的控制点 ，而是利用这些控制点来改变曲线形状 。选取适当的控制点 ，根据气缸盖螺栓 、喷油器孔等因素的限制 ，调整点的位置 ，保证直流段具有合适的上倾角和下倾角 ，得到条引导线 。为了保证引导曲线的光滑 ，在调整过程中打开“曲率梳 ”选项 ，并使用 “微调 ”功能 。图示出其中一条引导线的曲率梳 ，显示了曲线各点处曲率的矢量 ，可以看到曲率梳指向曲线的同侧 ，变化平缓 ，不存在奇异多余的
11、拐点 ，形状变化呈现一定的规律性 ，满足连续性要求 。图 曲线曲率梳图 导向部分曲面将绘制好的曲线用“通过曲线网格 ”命令构建成片体 ，即为导向部分曲面 （见图）。的网格曲面通过蒙皮法构建 ，它通过一组有序的截面 曲 线 拟 合 一 张 曲面 ，可以保证与相邻面的，连续 。 螺旋部分曲面螺旋段主要采用基于特征的参数化建模中的基于曲线的构造方法 。这类曲面是全参数化的 ，即全息片体 ，当构造曲面的曲线被编辑修改后 ，曲面会自动更新，如 “直纹面 ”、“通过曲线 ”、“通过曲线网格 ”、“扫略 ”、“桥接曲面 ”等 。“通过曲线网格 ”是使用最多的命令 ，用一系列在两个方向上的截面线串建立片体 。
12、构造曲面时先将一组同方向的截面线定义为主曲线 ，其主曲线的走向基本一致 ，允许定义条主曲线 ；另一组大致垂直于主曲线的截面线为交叉线 。截面线与所生成的片体相关联 ，当截面线修改后 ，片体会自动更新 。创建螺旋段的曲面 ，除了前面已经修剪的条螺旋线 ，还需要定义一些通过螺旋室中心并垂直于水平面的截面 ，尤其是起始截面和终止截面 ，根据螺旋坡角确定其最大高度 ，并增加一些中间截面以保证螺旋段外形轮廓的光滑及合适的自由度 。各截面内侧为气门导管凸台 ，外侧为若干直线与圆弧的组合 ，连接处保证圆滑过渡 ，并使用曲线连接功能形成样条线 ，这样改变初等曲线的形状 ，样条线也随之改变 。根据螺旋段截面线和
13、螺旋段的形状 ，利用 “通过曲线网格 ”命令 ，做出螺旋段的外形 （见图）。图 螺旋室部分的曲线及曲面 过渡部分的构建 、曲面修补及实体生成需要充分利用已形成的气道表面的边界 、截面线等信息 ，确定过渡部分所需要的曲线 。通常采用的方法为创建一个基准面同时截取直流段和螺旋段表面 ，得到两条截面线 ，然后使用桥接曲线功能 ，设置相切连续或者曲率连续 ，并启用关联特性 ，调整其峰值和曲率 ，可以实现这部分的参数化 ，最后使用网格面建立过渡曲面 。在构建过渡部分曲面的时候 ，会遇到三边面和五边面的情况 。对于三边面 ，通常可以将与其相邻的曲面进行裁剪或者再做一条曲线把三边面化为四边 ；对于五边面 ，
14、通常将边界延伸 ，把五边变成四边 。如果遇到两个片体之间连接不光顺的情况 ，可以用 “匹配边 ”命令使两个曲面的边界相匹配 ，实现曲率的连续 。对生成的单个曲面 ，可以进行简单的上光着色检查 ，确认生成的曲面平滑 、无扭曲变形 ，另外用 “曲面连续性 ”命令检查片体与片体之间的连续性 ，确保曲面没有尖锐的接缝和曲率的突变 （见图）。最后对整个曲面进行修补 、光滑处理 ，最终形成封闭的曲面 ，缝合形成实体模型 。缝合完成后 ，需要检查缝合的有效性 。如果被缝合的片体之间出现高车用发动机年第 期亮线 ，就意味着此处没有缝合好 ，需要检查两个片体的边是否匹配 ，修正后重新缝合 ，如果仅外周边高亮显示
15、 ，说明缝合是成功的 。图 过渡部分曲面及曲面半径检查结果对最终生成的实体模型进行高光测试 ，图示图 螺旋进气道面反射分析结果出实体模型面反射分析结果 。由图可以看出 ，表面的斑马线相连 ，在连接处有过渡 ，没有产生尖锐的拐角 ，也没有发生错位 ，可以判断气道模型实现了良好的连续性 。 气道三维仿真计算 计算模型的生成使用软件进行数值模拟计算 ，定义的计算空间包括稳压腔 、进气道 、进气门 、气门座圈和气缸 。在进气道入口加正方形稳压腔模拟大气环境 ，以防止空气流入气道时在气道的前端产生湍流 。模拟气缸的长度为（为气缸直径 ）。网格划分 ：生成非结构化网格 ，最大网格尺寸为，采用自动划分网格技
16、术时 ，最小网格尺寸可以忽略 ，最终生成的体网格由最大网格和局部细化定义确定 。由于气道 、气门 、气门座圈及气缸顶部的流动情况复杂 ，对这些部位进行了网格细化 ，网格总数为万个左右 ，整体计算网格见图。图 进气道计算网格及局部细化边界条件 ：入口总压，出口设为静压 ，在 中标准进出口压差在小气门升程取值为，而大的气门升程下压差为，进口温度，边界湍动能，湍流长度尺度为。初始条件 ：压力，初始速度分量为，气体密度为，壁面无滑移 ，绝热 ，壁面温度为固定值 ，初始化模型为势流 。 计算模型的验证采用涡流比评价法 ，在稳流气道试验台上对做好的气道进行测试 。数值模拟计算结果与试验数据的对比见表。表
17、计算值与试验值的对比气门升程 涡流比 流量系数计算值 试验值 偏差 计算值 试验值 偏差 由表可以看出 ，在小气门升程时偏差比较大 ，其余各升程偏差都在以内 ，涡流比和流量系数随气门升程的变化规律一致 。因为流场分析的目的是对气道改进提出合理建议 ，所以建立的模型可以用于气道流动特性的分析 。 气道的流动特性分析图示出最大气门升程下通过气门中心线剖面的流线 。由图可以看出 ，在气门盘下方形成了一个垂直方向上的漩涡 。这是由切向气流分量与气门相撞沿气门密封面流入气缸 ，与气门盘下方的气流相汇产生的 。图 通过气门中心剖面的速度流线年 月 王鑫鑫，等 ：柴油机螺旋进气道三维造型设计与分析 书书书图
18、示出垂直于气缸轴线位于气门盘正下方处截面的速度流场 。由图可以看出 ，气流进入气缸后大致分成两股 ，一部分沿气门锥角直接进入气缸 ，还有一小部分径向气流与主旋转涡流交汇 ，形成局部的小涡流 。碰撞产生的能量耗散是影响气道流量的重要因素 。图 垂直于气缸轴线剖面的速度流场流量系数和涡流比随气门升程的变化见图。图 流量系数和涡流比随气门升程的变化由图可以看出 ，流量系数随气门升程的增加而增大 ，涡流比在小气门升程处出现了波动 ，在气门升程为时涡流强度较大 ，这是因为气门开度很小时 ，流通截面小 ，气体流动阻力大 ，节流作用明显 ，气道喉口附近压力损失大 ，相应的气体流速上升 ，缸内旋转角动量增加
19、，加剧了缸内的湍流强度 。之后随着气门升程的增大 ，涡流比呈上升趋势 。 结论）利用基于草图和基于实体两种方法建立螺旋进气道的参数化模型 ，为螺旋段外轮廓添加了螺线方程驱动 ，通过修改方程参数即可得到不同的气道模型 ；）采用预测计算气道的性能 ，并通过稳流试验进行验证 ，结果表明 ，进入气缸的气流在气门盘附近发生了强烈的碰撞 ，是流量损失的主要原因 ，螺旋进气道的流量系数和涡流比均随气门升程的增加而增大 。参考文献 ：夏兴兰 ，杨雄 ，朱忠伟 ，等 数值模拟方法在柴油机进气道改 进 中 的 应 用 内 燃 机 学 报 ，（）：常思勤 ，刘雪洪 ，何小明 螺旋进气道的三维造型设计研究 内燃机工程 ，（）：何耀华 ，荣辉 在车身造型设计中曲面及实体构建的应用研究 武汉大学学报 ，（）：任在刚 基于 轻型货车车身造型元素参数化设计淄博：山东理工大学 ，何常明 ，毕玉华 ，雷基林 ，等 一种新的柴油机螺旋进气道参数 化 设 计 方 法 内 燃 机 学 报 ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， ， ， （ ， ， ，）： ， ， ， ， ， ： ； ； ；编辑 ：袁晓燕 车用发动机年第 期
