梁勝龍，馬 俊

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

1 引言

進氣柵欄可有效阻止進氣系統(tǒng)火源對高粉塵工作環(huán)境帶來的危害。但是進氣防爆柵欄增大了柴油機進氣系統(tǒng)的阻力，從而減少了進入氣缸內(nèi)的新鮮空氣，同時使得發(fā)動機的泵氣損失增加，熱效率降低，防爆柴油機的動力性、經(jīng)濟性下降[1]。因此，對進氣防爆柵欄進行優(yōu)化分析，改進防爆柵欄結(jié)構(gòu)，減小進氣阻力損失，有利于提升柴油機的工作效率，多實際應(yīng)用具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對此進行了一定研究，并取得一定成果：文獻[2]采用軟件仿真分析了不同形式的進氣防爆柵欄的內(nèi)部流場，根據(jù)分析結(jié)果對方案進行優(yōu)化設(shè)計；文獻[3]采用試驗法對發(fā)動機不同的壓縮比、噴油提前角和配氣相位等對防爆性能的影響進行分析；文獻[4]采用試驗和流體力學(xué)仿真模型相結(jié)合的辦法，分析煙氣和冷卻水域?qū)Ψ辣裼蜋C模型的影響規(guī)律；文獻[5]利用AVLIRE對防爆柴油機不同氣門升程下進氣管道內(nèi)的流場分布進行分析，并以此對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

針對進氣防爆柵欄進行設(shè)計。基于CFD仿真分析柴油機進氣系統(tǒng)的壓力云圖和溫度云圖；對圓柱形進氣柵欄進行結(jié)構(gòu)分析和流場分析；根據(jù)壓力和溫度云圖，將進出口圓管分別加大一倍，再改為漸擴管阻火器的結(jié)構(gòu)和性能研究，分別對120°、127°、134°、141°漸擴角進行分析；獲得壓力損失、出口流量與漸擴角之間關(guān)系；基于防爆柴油機試驗臺，對不同的優(yōu)化方案下柴油機功率進行對比分析，以獲取最優(yōu)設(shè)計。

2 進氣系統(tǒng)參數(shù)分析

2.1 進氣流量

根據(jù)進氣流量公式：

式中：Q—進入柴油機的進氣流量；Vh—發(fā)動機總排量；i—汽缸數(shù)；n—柴油機轉(zhuǎn)速；τ—行程數(shù)；ηe—柴油機充氣效率；S—活塞行程；d0—氣缸直徑。

所研究柴油機的轉(zhuǎn)速范圍為（650～2500）r/min，另外d0為102mm，S為 120mm，i為6，τ為4，充氣效率為85%，則：

2.2 進氣系統(tǒng)流態(tài)判斷

進氣系統(tǒng)流體流動形態(tài)的判斷依據(jù)為雷諾數(shù)Re：

式中：d—管道直徑；u—流體的平均流速；μ—流體的粘度。平均流速為：

流體的粘度：

式中：v—流體的運動粘度；ρ—密度。

帶入式（4），得到流體粘度17.8×10-6m2/s。將得到的數(shù)據(jù)帶入式（2），得到如下：

因為計算所得到的雷諾數(shù)Re＆gt;4000，則可以判斷為湍流。在本課題中，進氣系統(tǒng)的流體流動形態(tài)判定為粘性可壓縮氣體的湍流流動，流動形式為非定常流。

2.3 進氣系統(tǒng)進氣平均流速

空氣先通過空氣濾清器過濾后進入進氣連接管道通過進氣阻火器的阻斷火花后進入進氣歧管，進氣系統(tǒng)的進氣流速估算成初始時刻從進氣管道進入進氣系統(tǒng)的流速，目前只考慮到圓柱形進氣管道的管道截面積A。

在計算進氣系統(tǒng)流量損失時，取進氣流速u=（6.22～20.72）m/s。

2.4 進氣阻火器設(shè)計

為了防止柴油機氣缸回火引燃進氣管中的易燃易爆的氣體，在進氣系統(tǒng)中加裝有進氣阻火器，進氣阻火器安裝在空氣濾清器和渦輪增壓器之后。柴油機為圓柱形防爆柵欄，阻火芯為平行板裝置，阻火器的防爆機理是縫隙防爆[6-7]。當(dāng)爆炸性混合氣體經(jīng)過細小的夾縫時，火焰在細小的夾縫運動中經(jīng)過一段時間便會自動熄滅，這一現(xiàn)象稱為淬熄。從火焰從夾縫入口到熄滅的這一段距離稱為淬熄長度（用L表示）。能使火焰發(fā)生自動熄滅的夾縫間隙存在一個上限值稱為淬熄直徑（用D表示）。

式中：L=Pr—Prandt1常數(shù)；V—氣流的運動粘性系數(shù)；V0—燃燒速度；A依賴于火焰絕熱燃燒溫度、火焰淬熄溫度和平行板壁面溫度。

由上述公式可以看出，減小D便會減小淬熄長度L使火焰更快地熄滅，但是夾縫間隙越小便會影響到氣流的通過性能使氣體出口流量降低，所以必須要到合適的夾縫間隙來設(shè)計理想進氣阻火器[8]。根據(jù)以上分析，對防爆柴油機進氣防爆柵欄進行初步設(shè)計，三維模型，如圖1所示。在途中進氣圓管和出氣圓管的尺寸均為長為30mm，直徑為128mm。柵欄阻火芯由間隙時0.5mm，長為50mm的方片組成并且斷面為圓弧狀，相鄰柵欄阻火芯間距為1.5mm，實際共有78個阻火芯。

圖1 防爆柵欄模型Fig.1 Explosion-Proof Fence Model

3 防爆柵欄結(jié)構(gòu)氣體流動性能分析

3.1 進氣系統(tǒng)氣體流動性能分析

在Solid works建立進氣系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)圖后保存成step格式。將三維結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入到Gambit中進行網(wǎng)格劃分。整個進氣系統(tǒng)采用分塊劃分網(wǎng)格方法，共分成6大塊：進氣管、緊挨柵欄左側(cè)的進氣圓管、柵欄右側(cè)進氣圓管、彎管、歧管部分以及所有柵欄隔片[9-10]。連接管采用四面體網(wǎng)格，步長設(shè)為4；阻火器采用六面體網(wǎng)格單元；氣缸總體采用六面體網(wǎng)格單元，步長為4。得到的網(wǎng)格圖，如圖2所示。進氣管的進口端定義為壓力進口邊界條件，定義操作壓力為0，進口壓力為101.325kPa，進口溫度為298K，定義6個缸出口端為壓力出口邊界條件，出口氣體溫度為320K。將能量收斂設(shè)置為10-6，湍流動能以及耗散率設(shè)置為10-3，迭代100次結(jié)果收斂。防爆柴油機進氣系統(tǒng)內(nèi)部壓力云圖，如圖3所示。得到的進口和出口端的壓力值，如表1所示。

圖2 進氣系統(tǒng)網(wǎng)格圖Fig.2 Intake System Grid Diagram

圖3 進氣系統(tǒng)壓力云圖Fig.3 Intake System Pressure Cloud Map

表1 進氣系統(tǒng)每段壓力損失Tab.1 Pressure Loss Per Section of the Intake System

由表中數(shù)據(jù)顯示，流體經(jīng)過進氣系統(tǒng)進口截面的壓力為98227.57Pa，流場出口的平均壓力為90462.34Pa，流體流經(jīng)整個流場的壓力損失為7765.23Pa，而在整個流場中，進氣阻火器處的壓力損失為7334.79，占整個壓力損失的94.2%。所以研究進氣阻火器的結(jié)構(gòu)對于減少整個進氣系統(tǒng)的進氣阻力是十分必要的。

3.2 圓柱形進氣柵欄流場分析

將在Solidworks中建立的進氣防爆柵欄導(dǎo)入到Gambit中，采用分塊劃分網(wǎng)格技術(shù)，分別將進氣管、進氣圓管、柵欄片區(qū)域、出氣圓管以及排氣彎管區(qū)域分塊入口邊界條件設(shè)置為進口壓力邊界條件。設(shè)置為一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101.325kPa，溫度為298K，出口邊界條件設(shè)置為91.4kPa，出口溫度為320K，壁面邊界條件設(shè)置為無滑移邊界條件，采用320K的恒定溫度。進氣阻火器內(nèi)部的壓力云圖，如圖4所示。

圖4 阻火器內(nèi)部壓力云圖Fig.4 Internal Pressure Cloud Diagram of the Flame Arrester

從圖中可以得到，進氣阻火器進口端的壓力最大，為初始設(shè)定壓力值101325kPa。從阻火器進氣口到出口端，內(nèi)部壓力呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。當(dāng)氣流從進氣段流向阻火芯時，通流截面驟然下降，使得氣流在阻火芯左側(cè)堆積，從而左側(cè)形成高壓帶，壓力處于（100.327～101.325）kPa的范圍內(nèi)。而阻火芯右側(cè)呈現(xiàn)了比較明顯的低壓帶，壓力處于為（94.326～101.246）kPa范圍之間。

z=0中心平面處進氣阻火器平面速度矢量圖，如圖5所示。

圖5 z=0平面速度矢量圖Fig.5 z=0 Plane Speed Vector

由圖可知，由于阻火芯左側(cè)和右側(cè)分別存在著高壓帶和低壓帶，使得阻火芯兩側(cè)存在著較大的壓差，而從進口圓管出來到防爆隔片區(qū)流通截面急劇變窄，流速急劇增加。所以由速度矢量圖中可知道隔片區(qū)流速達到最高。隔片處的最大流速為87.5m/s。而從方格區(qū)所指的部分發(fā)現(xiàn)進出口圓管的端部出現(xiàn)了渦流區(qū)，渦流形成使得產(chǎn)生了形成了無規(guī)則氣體環(huán)流，產(chǎn)生熱量，從而增加了氣體阻力，如圖6所示。

圖6 渦流放大區(qū)速度矢量圖Fig.6 Eddy Current Amplification Zone Speed Vector

出口截面質(zhì)量流量，如圖7所示。各截面壓降，如表2所示。

圖7 出口截面質(zhì)量流量圖Fig.7 Export Section Mass Flow Chart

表2 各截面壓降表Tab.2 Pressure Drop Table for Each Section

由圖和表可知，從進口到出口，入口壓力為101.325kPa，出口端壓力為90.966kPa。整段壓力損失為10359Pa。氣體經(jīng)過防爆柵欄段壓力損失最大占了整個壓力損失的75%。防爆柵欄的出口流量為0.09062kg/s。當(dāng)氣體從進口進入圓柱形防爆柵欄時，由于柵欄兩側(cè)出現(xiàn)較明顯的壓差，柵欄兩側(cè)壓力不穩(wěn)定，出現(xiàn)了渦流和旋流，增大了氣體流動阻力，降低了氣流的通過性能，下面將改進柵欄結(jié)構(gòu)來減小阻力損失，從而增加出口質(zhì)量流量。

3.3 方案改進分析

（1）方案一：進出口圓管直接分別加大一倍

進出口圓管分別加長一倍后的壓力云圖和速度矢量圖，如圖8所示。

圖8 方案一分析結(jié)果Fig.8 Scheme 1 Analysis Result

從壓力云圖中可以看到從進口到出口壓力分別較均勻，壓力依然呈現(xiàn)從進口到出口的遞減趨勢。由軟件計算得知，入口壓力為101228Pa，出口壓力為91162.73Pa，壓力損失為10065.27，出口流量為0.110091kg/s。與原阻火器相比，壓力損失減少了293.73Pa，出口流量減少了0.01947kg/s。因此可以得出增加進出口圓管的長度在一定程度上減小了阻力損失，有利于氣流運動，并且增加了氣流運動的平穩(wěn)性。但是進出口圓管的端部的渦流旋流現(xiàn)象依然出現(xiàn)，因為旋流現(xiàn)象是在出現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)突變和兩側(cè)出現(xiàn)壓差的情況下發(fā)生的，旋流現(xiàn)象的出現(xiàn)會消耗能量增加阻力損失，所以從進氣管進口到進氣圓管的直徑從100mm到164mm直接出現(xiàn)截面突變，所以形成了旋流現(xiàn)象，所以進一步改進結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)漸變是減少旋流的方法之一。

（2）方案二：進出口改用漸擴管

原設(shè)計方案中，阻火器半徑最大為120mm.所以保持原阻火器尺寸不變，直接把進出口圓管變?yōu)闈u擴管，擴張角約合120°[13]。為了研究出更為理想的擴張角大小。分別對120°、127°、132°、136°做出三維圖劃分網(wǎng)格并且得出Fluent模擬的結(jié)果。漸擴角為120°時的流速圖，如圖9所示。各漸擴角阻力損失，如表3所示。阻力損失、出口流量與漸擴角關(guān)系，如圖10所示。

圖9 漸擴角為120°流速圖Fig.9 The Angle of Expansion is 120°Flow Rate Diagram

由圖可知，由于變截面阻火器進出口管道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)漸進性增壓沒有像原結(jié)構(gòu)一樣出現(xiàn)突變所以一定程度上較少了回流和渦流現(xiàn)象，相比加長一倍的阻火器氣體流經(jīng)整個阻火器過程中阻力減少了445.27Pa，出口流量增加了0.4×10-5kg/s。減小了阻力損失從而增加了出口的流量。

表3 各漸擴角阻力損失對比Tab.3 Comparison of the Resistance Loss of Each Divergence Angle

圖10 不同參數(shù)與漸擴角關(guān)系Fig.10 Relationship with Divergence Angle

由圖10及表3可知，分析對比各漸擴角下的阻火器阻力損失，可以得出：當(dāng)漸擴角＜134°時，壓力損失隨著漸擴角的增加而降低，流量隨之增加；當(dāng)漸擴角≥134°時，壓力損失隨著漸擴角的增加而上升，流量隨之減小。所以在實例所給出的漸擴角下當(dāng)漸擴角為134°為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

4 試驗驗證

利用防爆柴油機臺架試驗對方案進行驗證，防爆柴油機本體及水力測功機搭建起來的一個功率扭矩測試試驗臺，如圖11所示。通過安裝不同的進氣防爆柵欄獲得柴油機的功率，如圖12所示。

圖12 不同進氣防爆柵欄柴油機功率Fig.12 Different Intake Air Explosion-Proof Fence Diesel Engine Power

由圖可知，在試驗所測的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，安裝方案二進氣防爆柵欄的柴油機功率＆gt;方案一進氣防爆柵欄的柴油機功率＆gt;原方案防爆柴油機功率。與原防爆發(fā)動機相比，方案二進氣防爆柵欄的柴油機在最大功率點功率上升了15.04%，，而方案一進氣防爆柵欄后柴油機的功率上升了4.0%。這說明改進方案是有效的，所以改進進氣防爆柵欄的結(jié)構(gòu)來減少進氣阻力對于改善柴油機的經(jīng)濟性動力性是十分必要的。

5 結(jié)論

針對防爆柴油機的進行柵欄進行設(shè)計分析，結(jié)果可知：

（1）進氣阻火器占整個進氣系統(tǒng)壓力損失的94.2%，所以研究進氣阻火器的結(jié)構(gòu)對于減少整個進氣系統(tǒng)的進氣阻力是十分必要的；

（2）當(dāng)漸擴角＜134°時，壓力損失隨著漸擴角的增加而降低，流量隨之增加；當(dāng)漸擴角≥134°時，壓力損失隨著漸擴角的增加而上升，流量隨之減小，所以在實例所給出的漸擴角下當(dāng)漸擴角為134°為最優(yōu)結(jié)構(gòu)；

（3）在試驗所測的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，漸擴角進氣防爆柵欄的柴油機功率隨損失最小，比原方案高15%，這說明改進方案是有效的，所以改進進氣防爆柵欄的結(jié)構(gòu)來減少進氣阻力對于改善柴油機的經(jīng)濟性動力性是十分必要的。