进气道螺旋段关键结构参数多目标优化设计

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.03.005

摘要/Abstract

摘要：

采用气道稳流试验、CFD稳态模拟，结合多目标优化设计手段，研究YN柴油机单螺旋进气道螺旋段的最小截面积、蜗壳内半径、蜗壳外半径和螺旋室高度4个关键结构参数对气道流动特性的影响。结果表明：通过回归分析获得的近似数学模型，可实现气道结构参数与气道性能的正向定量研究；通过对原机气道螺旋段结构参数的多目标优化，可实现在流量系数小幅降低（0~3.98%）的条件下，涡流比的明显提高（9.3%~14.34%）。

关键词: 柴油机, 单螺旋进气道, 螺旋段, 涡流比, 流量系数, 多目标优化

Abstract:

Using steady?state air?flow experiments and CFD steady?state simulation， combined with the multi?objective optimization design method， the influence of four key structural parameters including minimum cross?sectional area of helical section， the inner radius of volute， the outer radius of volute and the height of the spiral chamber on the inlet flow characteristics of single helical intake port of YN diesel engine is studied. The results show that the approximate mathematical model obtained by regression analysis can realize the positive quantitative research of inlet structure parameters and inlet performance. The multi?objective optimization design of the structural parameters of the original intake port helical section can significantly increase the eddy current ratio （9.3%~14.34%）， with a small decrease of the flow coefficient （0~3.98%）.

Key words: diesel engine, single helical intake port, spiral section, swirl ratio, flow coefficient, multi?objective optimization

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图/表 16

图 1

图 2

图 3

表1

图 4

表2

图 5

表3

气道螺旋段关键结构参数研究方案"

次数	截面比 $e$	蜗壳内半径R₁/mm	蜗壳外半径R₂/mm	螺旋室高度H₁/mm
1	0.81	10	29	27
2	0.84	11	30	28
3	0.87	12	31	29
4	0.90	13	32	30
5	0.93	14	33	31
6	0.96	15	34	32
7	0.99	16	35	33

表3

图 6

图 7

图 8

图 9

表4

螺旋段各结构修改试验方案及计算结果"

试验号	截面比 $e$	蜗壳内半径R₁/mm	蜗壳外半径R₂/mm	螺旋室高度H₁/mm	流量系数y₁	涡流比y₂
1	0.810	12.0	33.0	32.0	0.572	1.257
2	0.825	14.5	30.5	30.5	0.562	1.393
3	0.840	10.0	35.0	29.0	0.583	1.153
4	0.855	12.5	32.5	27.5	0.574	1.327
5	0.870	15.0	30.0	33.0	0.568	1.390
6	0.885	10.5	34.5	31.5	0.59	1.145
7	0.900	13.0	32.0	30.0	0.588	1.277
8	0.915	15.5	29.5	28.5	0.584	1.377
9	0.930	11.0	34.0	27.0	0.596	1.150
10	0.945	13.5	31.5	32.5	0.591	1.287
11	0.960	16.0	29.0	31.0	0.58	1.370
12	0.975	11.5	33.5	29.5	0.598	1.160
13	0.990	14.0	31.0	28.0	0.577	1.373
14	0.810	11.5	32.5	31.5	0.582	1.280
15	0.825	14.0	30.0	30.0	0.578	1.362
16	0.840	12.0	34.5	28.5	0.573	1.265
17	0.855	14.5	32.0	27.0	0.57	1.361
18	0.870	10.0	29.5	32.5	0.556	1.364
19	0.885	12.5	34.0	31.0	0.564	1.289
20	0.900	15.0	31.5	29.5	0.584	1.329
21	0.915	10.5	29.0	28.0	0.583	1.352
22	0.930	13.0	33.5	32.0	0.584	1.237
23	0.945	15.5	31.0	30.5	0.575	1.419
24	0.960	11.0	33.0	29.0	0.592	1.258
25	0.975	13.5	30.5	27.5	0.58	1.395
26	0.990	16.0	35.0	33.0	0.576	1.379
27	0.810	10.0	29.0	27.0	0.581	1.331
28	0.825	12.5	33.5	32.5	0.586	1.281
29	0.840	15.0	31.0	31.0	0.563	1.395
30	0.855	10.5	33.0	29.5	0.576	1.256
31	0.870	13.0	30.5	28.0	0.557	1.359
32	0.885	15.5	35.0	32.0	0.563	1.329
33	0.900	11.0	32.5	30.5	0.585	1.333
34	0.915	13.5	30.0	29.0	0.582	1.378
35	0.930	16.0	34.5	27.5	0.584	1.291
36	0.945	11.5	32.0	33	0.589	1.294
37	0.960	14.0	29.5	31.5	0.572	1.388
38	0.975	12.0	34.0	30.0	0.58	1.323
39	0.990	14.5	31.5	28.5	0.586	1.349
40	0.990	16.0	35.0	27.0	0.579	1.305

表4

表5

图 10

表6

参考文献 17

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项目	参数
入口边界压力/kPa	81.6
出口边界压力/kPa	79.1
进气温度/K	293
壁面速度	绝对无滑移、无渗透

发动机指标	参数
型式	直列、四冲程、增压中冷
增压系统	废气涡轮增压器
缸径/mm	102
行程/mm	115
排量/L	3.76
压缩比	17
标定功率/kW	85(3 000 r·min^-1)
最大转矩/(N·m)	440(1 600~2 400 r·min^-1)

模型	评价参数	优化计算值	CFD计算值	试验值	实际优化效果/%
优化模型①	流量系数	0.604	0.593	0.600	3.98
优化模型①	涡流比	1.134	1.212	1.191	-6.15
优化模型②	流量系数	0.569	0.570	0.554	-3.98
优化模型②	涡流比	1.420	1.420	1.451	14.34
优化模型③	流量系数	0.585	0.584	0.580	0.50
优化模型③	涡流比	1.370	1.390	1.387	9.30

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