喷油头内部流场的数值模拟及其柱塞几何形状的优化

　　1　前言

　　随着全球能源与环保的形势日趋严峻,热气机(Stirling Engine)由于其具有多种能源的广泛适应性和优良的环境特性已越来越受到重视,可以在水下动力、太阳能动力、空间站动力、热泵空调动力、车用混合推进动力等方面得到广泛的应用。作为外燃式动力机械的一种,热气机燃烧室喷油头性能的优劣与否对热气机的性能有着至关重要的影响。本文对热气机喷油头的内部流场进行了数值模拟与研究,根据数值研究的结果与实际工程的需要,对喷油头内部旋流体柱塞的几何形状进行了优化改进。经实际使用,达到了预期的效果。

　　2　研究内容与研究方法

　　2. 1　研究内容

　　随着计算机的出现及计算技术的发展,数值模拟计算在流体流动研究方面已占有越来越重要的地位。与试验研究相比,数值模拟计算具有投资少,周期短的特点,并且,随着计算机与计算技术的不断发展、完善,数值模拟计算的可靠性也在不断地提高。所以,在现代发动机的研制过程中,数值模拟计算正在扮演着越来越重要的角色。

　　图1、图2是某热气机燃烧室的喷油头的几何尺寸与三维示意图。为了防止喷油头内、外表面结炭,在喷油结束后,采用高压气体对喷油头内部进行吹扫,希望将喷油头内部的油吹扫干净而不致有残油剩余并导致结炭。该喷油头内的柱塞端部原为平头加一倒角,在使用中发现,进行高压气体吹扫时喷油头内部的残油很难吹扫干净,从而使得喷油头内部与外部均发生结炭,导致喷油头喷油性能变差。为了了解热气机喷油头内部流场的详细情况,本文利用通用流体计算软件PHOENICS对热气机喷油头的内部流场进行了数值模拟。通过对吹扫时喷油头内部流场进行的数值模拟计算,发现在平头柱塞的端部存在流动分离与旋涡,从而使得残油难以吹扫干净。针对这一问题,提出了对柱塞端部形状及喷油头进口段形状的改进方案,并通过数值模拟计算对改进方案进行了比较。

　　2. 2　数值模拟

　　2. 2. 1　基本假设

　　数值模拟计算是在定常、不可压、湍流流动等假设条件下进行的。

　　2. 2. 2　基本方程与湍流模型

　　考虑定常不可压流体的湍流流动,则RANS方程及连续性方程为

　　2. 2. 3　计算区域与网格划分

　　以喷油头旋流体柱塞部分的流动区域为研究对象,该区域为一10×27mm的圆柱形区域。数值模拟计算采用直角坐标系,利用通用流体力学计算程序PHOENICS进行计算。由于流动区域内包含柱塞、弹簧、进出口等,流场中固体边界形状比较复杂,在计算中采用了PHOENICS软件中的ASAP方法,即在包含计算区域的立方体区域内进行网格划分,然后将计算区域内固体所占有的网格的空度(porosity)设为零,并给出相应的壁面边界条件。计算区域为10×27×10mm的立方体区域,网格数为60×64×60。其中,X-Z平面(即喷油头的横截面)上的网格是均匀分布的,其网格数为60×60。而在Y方向上,网格则根据流动区域对网格分辨率的要求进行分段均布的。其中,在进口圆管段及出口的矩形管段上,网格数分别取为2;而在柱塞顶面至进口段的4mm长度上网格取为15;在柱塞本身的18mm长度上,网格取为45。