雙管氣流場的三維流動分析

隨著壓迫度的增加，mpc排氣系統具有定壓系統和脈沖系統的優點，結構簡單，性能好，在機槍壓迫系統中得到了廣泛應用。在mpc排氣系統中，實際流動是三維的，尤其是在三個接口處的流動更為復雜和典型。因此，通過計算模型c的三個分支的三維流動，我們可以準確了解流動的狀態和流場的分布，為提高能量傳遞效率提供研究方法和理論依據，提高模型的結構復雜。到目前為止，很少有研究這方面的工作。在之前的研究中，假設支架和分離器是矩形截面，并且支架的收縮功能沒有考慮在內。模擬結果與三組分mpc模型的實際流動不同。為了模擬和研究三組分mpc模型的實際流動，作者對該層的三維流動進行了計算。1排氣支管和排氣總管網格建立的背景計算是針對圖1所示柴油機MPC增壓系統試驗排氣管進行的.計算模型和數值方法見文獻.為生成較高質量的網格,排氣支管與排氣總管分別生成網格.計算分兩種情況進行,一種是只有排氣支管進氣;另一種是排氣支管和總管同時進氣.1.1mpc3支管流及總管內的速度分布計算時支管入口截面速度均勻分布,相應的入口邊界條件為Vx=u=0m/s?Vy=v=0m/s?Vz=w=vz=?35m/s.Vx=u=0m/s?Vy=v=0m/s?Vz=w=vz=-35m/s.壁面處,由無滑移條件有:u=v=w=0?u=v=w=0?采用固定溫度確定溫度邊界.對近壁面網格點采用壁面函數法處理.選用相對壓力參加實際計算.圖2～11為流場模擬計算結果.圖2為MPC模件對稱截面Ⅰ速度矢量圖.圖3為過總管軸線截面Ⅱ速度矢量圖,圖4為總管橫截面Ⅲ二次流流場圖.從圖2可以看出,氣流從支管進入總管后,由于氣流折轉,在支管下游總管壁面處產生回流,將引起氣體能量大量損失,而氣流撞擊總管壁面后在封閉端產生的回流區較小.如圖4所示,氣流撞擊總管壁后,主要沿橫截面圓周方向產生回流.在總管下側(圖2)和兩側邊壁(圖3),氣體流速較大(約45和31m/s).因此,在支管下游總管壁面處產生的回流和沿圓周的2次流是引起MPC三分支管能量損失的主要因素.從圖中還可發現,支管流動對總管的影響,一直延伸到總管下游.圖5為模件對稱截面Ⅰ壓力等值線,從圖中可以看出,在只有支管進氣情況下,模件中有2個高壓區,總管和支管中各有一個,這是由于支管入流形成的回流引起的.在總管封閉端直徑1(垂直于紙面,圖1)處,不受支管流動的直接沖擊,該處流動并不劇烈.從圖中可見,雖然在封閉端存在回流,流體運動很復雜,但流體流速很小,回流損失的能量并不大.由圖6和7,直徑2(總管和支管接口處)的速度分布圖(由于y方向速度遠小于另兩方向速度,圖中沒有畫出,以下相同)可以發現,因為氣體剛流出支管,總管中部u、w速度幾乎是均勻分布.另外,由于支管出口尺寸小于總管直徑,對于粘性流體,支管出流帶動周圍氣體在總管外側形成回流,這一點從圖中(2側速度方向改變)可清楚看到,這時由支管入流帶起的回流還比較小.圖8和9顯示了直徑4的速度分布情況.隨著氣體的流動,總管垂直于主流截面上形成2個對稱的2次流區(見圖4),這是由于氣流由支管噴入總管撞擊管壁所造成的.總管中,2個2次流在總管中部交匯,由于摩擦,動能損失加大,x方向的主流速度在總管中心并不是最大(約18m/s);相反,在2個2次流中,大約D/8和7D/8(D為總管直徑)附近,主流速度最大(約34m/s).總管中主流速度顯兩側大中間小的凹形分布.總管中的氣體,在管道左右兩側分別顯螺旋狀向前流動.在總管出口前方直徑5,由于粘性的作用,氣體流動逐步趨于均勻,這可以通過圖10和11看到.在非主流方向,即速度v、w方向,圖中速度值比直徑4的小,說明非主流方向流動正逐步消失.而在主流方向,速度變化逐步減少(對比圖8和10),說明主流速度正變得越來越均勻.比較直徑4和4相應速度分布圖中的數值,可見:管中2次流仍存在,只不過強度有所減弱.由于模件長度有限,總管出口2次流仍存在,管道中心主流速度(約18m/s)仍小于2次流中心速度(約30m/s),這點從圖3可清楚看到.綜合比較以上各點速度分布,可以發現由于MPC模件沿縱向對稱,在3個方向速度中,y方向的速度量級最小.支管封閉端的速度值與其他各點相比,小得多,這說明支管封閉端的流動并不劇烈,回流并不大.在總管和支管接口處下游,總管垂直于主流方向各截面上均存在很強的2次流,造成氣體能量的大量損失,形成2次流的原因是支管入流在總管中的轉向及支管入口長度小于總管直徑造成的2側氣體回流.由于只有支管進氣,支管進氣條件對MPC系統的流場起主要作用.1.2總管和支管都通氣時的速度場模擬計算的另一種情況是總管和支管同時進氣.相應邊界條件為:支管入口:Vx=u=0m/s?Vy=v=0m/s?Vz=w=?38m.Vx=u=0m/s?Vy=v=0m/s?Vz=w=-38m.總管入口:Vx=u=35m/s?Vy=v=0m/s?Vz=w=?38m.Vx=u=35m/s?Vy=v=0m/s?Vz=w=-38m.壁面邊界處理同上.計算結果見圖12～15.圖12為總管和支管都進氣時的速度場,比較圖2和12,可以發現,由于存在總管進氣,原總管封閉端的回流已消失,而同時進氣支管下游附近的回流也近乎消失.管內速度分布發生顯著變化,中、高速區域大大增加.支管氣流分布比較均勻,總管內速度分布與只有支管進氣時相比明顯變得均勻.總管內最大速度增大.與只有支管進氣情況相比,支管入流的影響明顯減弱,但這是總管和支管來流速度相近且較小的情況下是如此,若支管入口速度很大時,仍將會有較大影響.比較圖5和15,與前一種情況相比,總管和支管都進氣時,總管中高壓區和支管中的連成了一片.直徑1處,由于處在支管入流上游,總管來流起主要作用,x方向的主流速度基本與總管入口速度相同(圖12).直徑2處,流動和只有支管入流的情況相差不大.由于總管入流的作用,主流方向回流消失,z方向受支管入流影響,仍有很小的回流.直徑4和直徑5均在支管入口下游,由于總管入流的作用,主流速度要比前一種情況大,分布較均勻,但變化規律不變.總管中氣體流動仍分左右2部分,各顯螺旋線狀流動(圖13和14).通過上面的計算和分析,可以看到,MPC系統中的流動非常復雜,支管入流的轉向和沖擊所引起的回流和2次流是造成MPC系統能量損失的主要原因.因此,合理的支管入流是減少MPC系統能量損失的關鍵.2結果對比與討論上面計算分析了MPC模件分支結構三維流動特點.為了驗證計算所得流場的三維特性,將計算結果與文獻的測量結果進行了對比.實驗進行的2種流動狀態為:狀態1入口條件:vx=0,vz=-35m/s,即只有支管進氣.狀態2入口條件:vx=35m/s,vz=-38m/s,即支管、總管同時進氣.本文只給出了狀態1直徑3處測量結果與計算結果的對比.從中可以看到,二者基本吻合.說明本文計算是正確的,結果是可信的.3下游圍巖內回流1)在只有支管進氣的條件下,支管入流對MPC系統流場分布起主