引射式EGR系統(tǒng)文丘里管內(nèi)流動數(shù)值模擬分析
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廢氣再循環(huán)技術(shù)是目前降低發(fā)動機(jī)NOx排放的主要措施之一，對于增壓柴油機(jī)而言，由于其空燃比較大，可以實(shí)現(xiàn)較大的EGR率。但增壓直噴柴油機(jī)由于其進(jìn)氣管平均壓力高于排氣管平均壓力，廢氣不能自動從排氣管流向進(jìn)氣管，所以實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)增加了其特有的難度。增壓柴油機(jī)要采用EGR技術(shù)改善NOx排放性能，必須采用特殊方法克服排氣管與進(jìn)氣管之間的壓力逆差，才能將足夠量的廢氣送入進(jìn)氣管，從而實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)?？朔毫δ娌羁赏ㄟ^提高排氣壓力、進(jìn)氣節(jié)流或降低進(jìn)氣壓力的方法實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)氣管加裝文丘里管，可以降低EGR接口處的進(jìn)氣壓力，因此采用文曲里管EGR系統(tǒng)能較方便的在大工況下實(shí)現(xiàn)廢氣再循環(huán)，并且附加泵氣損失少，成本低，有很大的優(yōu)越性。本文以YC6105ZLQ型增壓柴油機(jī)EGR系統(tǒng)為研究模型，運(yùn)用CFD—Fluent對文丘里管的設(shè)計(jì)參數(shù)，增壓空氣和EGR廢氣在文丘里管內(nèi)部的流動狀態(tài)及混合情況進(jìn)行數(shù)值模擬。
2 引射式文丘里管工作原理
文丘里管從結(jié)構(gòu)上分為收縮段、混合段和擴(kuò)壓段三部分，文丘里管示意圖見圖1，增壓柴油機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。從流體力學(xué)和工程熱力學(xué)原理可知，在亞音速范圍內(nèi)，氣體在收縮形通道內(nèi)流動，氣流會加速，馬赫數(shù)增大，壓力、溫度和密度都會下降，這個(gè)過程成為膨脹過程。
圖1 文丘里管示意圖
圖2 發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖
1 增壓器 2 中冷器 3 發(fā)動機(jī) 4 EGR 冷卻器 5 EGR閥 6 文丘里管（標(biāo)記紅色） 7 蝶閥
利用三維數(shù)值模擬手段，對文丘里管引射式EGR系統(tǒng)的流動情況作進(jìn)一步分析。文丘里管實(shí)際尺寸，建立的具有引射口文丘里管網(wǎng)格如圖3所示，網(wǎng)格總數(shù)706529，EGR引射口共分2列，每列7個(gè)，沿圓周均勻分布，入射角度與水平方向成60°，計(jì)算域中的EGR引射口網(wǎng)格經(jīng)過細(xì)化處理，如圖4所示。計(jì)算過程中認(rèn)為氣體在文丘里管內(nèi)部的流動狀態(tài)是三維不可壓縮粘性湍流流動，EGR廢氣與增壓空氣無化學(xué)反應(yīng)，存在熱交換作用。選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，采用SIMPLE算法，分別對進(jìn)口為空氣，引射口EGR率為15%和30%時(shí)的文丘里管內(nèi)部流動過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算過程中設(shè)定質(zhì)量流量為空氣入口以及EGR廢氣入口的邊界條件，空氣入口溫度323k，流量0.152kg/s，EGR廢氣入口溫度433k。設(shè)定文丘里管擴(kuò)壓段出口為壓力邊界條件。文丘里管壁面邊界采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法求解。
圖3 引射式文丘里管計(jì)算網(wǎng)格
圖4 EGR引射口位置的計(jì)算網(wǎng)格
4 引射式文丘里管內(nèi)部流動過程的計(jì)算分析
4.1 文丘里管速度場分析
圖5是文丘里管在不同EGR率時(shí)內(nèi)部流動速度場分布。由圖中可以看到，在不同EGR率引射情況下，擴(kuò)壓段尾部管壁面附近始終存在一個(gè)較大的邊界層分離區(qū)域，位置在距離文丘里管進(jìn)口面320mm處，這將導(dǎo)致文丘里管壓力恢復(fù)系數(shù)減小。根據(jù)計(jì)算結(jié)果認(rèn)為，分離區(qū)產(chǎn)生的原因是文丘里管擴(kuò)壓角過大引起的，文丘里管擴(kuò)壓角的設(shè)計(jì)為13°（混合段直徑24mm），使得管內(nèi)流動發(fā)生邊界層分離現(xiàn)象。若設(shè)計(jì)滿足大EGR率文丘里管，在保持文丘里管各段長度以及擴(kuò)壓段出口面直徑不變的條件下，擴(kuò)壓角應(yīng)適當(dāng)減小，即增大混合段出口處直徑，可以避免出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象。在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，將原文丘里管混合段出口直徑增加4mm，在邊界層出現(xiàn)的分離區(qū)消失。另外在圖5的e和f圖中可以發(fā)現(xiàn)，EGR廢氣從引射口進(jìn)入混合段后，由于流速小于空氣的流速，因此射流不能立刻與空氣進(jìn)行迅速混合，隨著流動的發(fā)展，當(dāng)二者速度逐漸接近時(shí)，混合均勻度逐漸明顯。
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