排气歧管三分支可压缩流一维边界模型的研究

摘要

精确计算进排气系统流动特性，一直是内燃机增压技术研究的一个重要研究领域。其中，三分支接头作为内燃机仿真计算一维非定常流动模型在进排气系统中的一种重要边界，对排气歧管流动的计算精度有着重要的影响。然而，近年来随着增压压力的不断提高，排气流速增大而使得气体压缩性的影响不可忽略，但由于现有研究中仍没有一套对可压缩流普遍适用且较为精确的分支接头边界模型和试验数据，使得管系流动的计算精度都较低。鉴于此，本文开展了三分支接头可压缩流压力损失规律的研究，并在此基础上建立了适用于可压缩流动的分支接头边界模型。
　　为了探索三分支接头可压缩流压力损失规律，首先设计搭建了分支接头可压缩定常流试验台架，对三分支在部分流型（汇合流流型6和分散流流型2）下的流动进行了试验测试，得到了流动过程中的热力参数。试验结果表明，流型6时，两流入端的静压几乎相等；当其他参数一定时，流体的压缩性对总压损失系数不可忽略，且当马赫数大于0.3时，总压损失系数逐渐增大。分散流流型2时，在0-0.3和0.8-1区间的流量比工况下，静压损失系数基本保持不变，而两流径的总压损失系数随气流马赫数的变化呈现相反的趋势。
　　为了分析分支接头可压缩流动特性和奠定分支接头理论模型研究的基础，对典型工况下的流动开展了分支接头可压缩流动流场的PIV测试研究。测试结果表明，随着流量比的增大，低涡量涡带的区域减小；在分支接头内的大部分区域，气流的涡量为零，表明了无旋流假定对与分支接头可压缩流的适用性。流型6时，接头内流场存在明显的流线收缩，两股汇合气流间形成了明显的分界流线。速度沿流线逐渐增大，且马赫数越大，速度梯度越大，但气流马赫数对两股汇合气流的分界流线的位置几乎无影响。测试结果表明了分界流线法假定的合理性，且对于可压缩流仍适用。
　　依据定常流试验和流场测试数据，校核建立了分支接头可压缩流动的三维计算模型，并以此模型开展了不同流型下分支接头流动特征与压力损失关系的计算研究。研究结果显示，分支接头结构参数和流动参数对可压缩流动特性和压力损失存在影响。流型6时，流动中总压损失系数随分支夹角的增大而逐渐增大。其中，角度大于60°时，压力损失显著增加，且直角 T型时，压力损失系数最大；分散流流型2时，流动中总压损失系数随总管与支管面积比的增大而逐渐增大；流型1时，气流的总压损失系数与静压损失系数与流量比均呈现单调的变化关系；流型4、5和3时，马赫数对静压损失系数的影响可忽略，但在总压损失系数上表现为不同数值的差异；对于温差较大的气流混合，总压损失系数不仅与总管马赫数有关，还与支管马赫数存在关系。
　　针对现有分支接头边界模型的特点和局限性，同时基于试验和仿真研究结果，在进行理论假定和引入待定系数前提下，提出了三种适用于可压缩流动的分支接头理论模型，分别是基于孔口出流方程的流量系数模型、基于接头控制体方程的动量式模型以及基于小扰动二维亚音速理论的压力系数模型。此外，针对三分支接头可压缩流动，通过理论假设和公式推导，得出了6种流型下的压力损失系数关于各个影响参数的无量纲一般表达式。最后，利用试验测试和仿真计算的研究成果，验证修正了理论假定，继而补充和完善了提出的三种分支接头边界模型。局部验证结果表明，三种模型对于分支接头可压缩流动的计算精度方面，流量系数模型最高，动量式最低；适用性方面，压力系数模型最广。对比数据显示，本文建立的排气歧管可压缩流一维边界模型的计算值与试验值呈现较好的一致性。

目录

声明

符号说明

第一章 绪 论

1.1本文的研究背景

1.2管系接头压力损失特性和边界模型的研究现状

1.3目前研究的局限性及存在问题

1.4本文的研究意义、目的和主要内容

第二章 排气歧管三分支可压缩流压力损失的试验研究

2.1排气歧管结构形式的简化及相关分析

2.2分支接头流动定常流试验测试台架

2.3试验方案和数据处理

2.4汇合流时可压缩流动的压力损失研究

2.5分散流时可压缩流动的压力损失研究

2.6本章小结

第三章 三分支接头可压缩流场的PIV测试

3.1分界流线法和无旋流假定

3.2分支接头流场PIV试验系统的建立

3.3试验方法的确定

3.4分支接头流动的内部流动特征

3.5支管与总管流量比对分支接头流场的影响

3.6气体压缩性比对分支接头流场的影响

3.7本章小结

第四章 三分支可压缩流全流型下压力损失的计算研究

4.1分支接头可压缩流动三维计算模型的建立

4.2三维计算模型的构建及验证

4.3结构参数对压力损失的影响分析

4.4流动参数对压力损失的影响分析

4.5支管气流马赫数对汇合流流动的影响

4.6本章小结

第五章 排气歧管可压缩流一维边界模型的建立及验证

5.1流量系数边界模型

5.2动量式边界模型

5.3压力系数边界模型

5.4压力损失系数的一般表达式的导出

5.5理论建模中相关假定的验证

5.6排气歧管边界模型的数值方法

5.7三种模型的验证对比及适用性分析

5.8本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

6.3创新性说明

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文及专利

致谢