柴油机曲轴箱油雾探测器内部流场CFD仿真与优化开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

1882年，德国人狄塞尔(RudolfDiesel)提出了柴油机工作原理即狄塞尔循环。1897年，世界上第一台四冲程柴油机出现，这种发动机扭矩大，油耗低，可使用劣质燃油，显示出辉煌的发展前景。随着时间的推移，柴油机技术得到全面的发展，应用领域起来越广泛。发展到20世纪的时候，柴油机开始应用于船舶。到20世纪50年代的时候，柴油机已经在广泛应用于工业、农业等许多行业。同时，船用柴油机已是民用船舶、中小型舰艇和常规潜艇的主要动力。

在船舶航行过程中，曲轴箱爆炸时有发生，最惨烈的一次曲轴箱爆炸事件发生在1947年，一艘名为REINADEL PACIFICO的货轮发生主机大爆炸事故，该事故共造成28名船员丧生且船舶收到严重损坏。事故后的调查报告表明，主机爆炸的主要原因是由于主机曲轴箱内的油雾浓度过高所引起。如表1所示，随着水运行业的发展、船舶数量的增加，从1995年到2003年，MANBW二冲程柴油曲轴箱爆炸事故有增加的趋势。

表1. MAN BW二冲程柴油机曲轴箱爆炸事故统计

柴油机是船舶上的最主要的装置，其在长时间的工作过程中，由于机械摩擦以及局部发热，导致滑油蒸发从而产生高温油气，在曲轴箱中的这些油气如果与较冷空气混合就会形成油雾，如果持续时间过长，曲轴箱内的油雾浓度便会上升，当产生的油雾浓度超过规定的标准时，就会引起曲轴箱的爆炸，既会带来严重的经济损失，又会造成人身伤害，因此，世界各国很早之前就开始探索曲轴箱油雾浓度检测的方法。

在正常情况下，船舶柴油机曲轴箱内的油雾浓度一般总保持在一个较低的浓度值范围。综合各种资料表明，当油雾浓度达到50mg/L(有的资料认为是46mg/L)，曲轴箱即有可能发生爆炸。当曲轴箱内部分或整体油雾浓度高于正常值时，这时如果曲轴箱内温度达到油雾燃点，就极易引起爆炸事故。所以为了保证在柴油机运行过程中的安全，就需要时刻监控曲轴箱中的油雾浓度，油雾浓度探测装置就起到了极其重要的作用。

图1.油雾浓度安全级别

图2. 油雾浓度与温度之间的关系

油雾报警器工作环境较为恶劣，保证探头内油雾的正常流动是提高其高效、稳定工作的有效方法之一，这就需要提高探头内油雾的流速及流量。而油雾探测器出现故障的原因之一就是抽气管由于油污或灰尘堵塞造成采样管无法正常抽吸油雾、污染光源降低探测精度，而提高采样通道的涡流，可以有效避免堵塞。因此，探讨油雾探测器探头内流体的流速、流量及涡流比等参数可以有效提高油雾探测器的工作效率与精度。

采用CFD软件对某流场进行仿真分析并通过Sculptor网格变形软件对其进行修改优化已成为一种应用广泛的技术手段。1994年，Pierre Godrie、MarkZellat和J.C. Dent和A. Chen等人使用了STAR-CD程序，分别模拟发动机内不同气道形状下的流场，在气道形状对流动损失的影响方面也做了一定的研究。美国卡特彼勒公司的工程师使用稳流试验法的试验结果作为仿真模拟计算的边界条件，进行CFD计算，预测了进气道的流动损失，得到流场的信息，验证了CFD计算结果的合理性。

在国内，近些年来CFD计算在气道流动模拟中的研究也逐渐深入，取得以一定的成果。广西玉柴机器股份有限公司的李湘华等人建立了柴油机排气歧管的三维结构模型，并应用CFD软件分析流场。描述了排气管中的典型流动，并根据计算结果对排气管进行了优化。优化后的排气歧管模型内腔容积减小，管内部分漩涡消失，流通阻力减小，各缸流量均匀性提高。华中科技大学的王志等人，在进行发动机气道的设计开发过程中，运用了AVL-FIRE软件完成了气道——气缸流动三维数值模拟计算，结合试验完成了气道设计工作。北京理工大学的王樵等人在试验的基础上，运用FLUENT软件计算了某型号汽油机的进气门流量系数，验证了CFD计算得到的流量系数精度达到要求。华中科技大学的刘志恩等人在某型号发动机设计中，以其进气道几何模型为基础，借鉴相关机型的气道稳流试验数据。中国汽车技术研究中心的吴春玲等人，通过运用STAR-CCM 软件将发动机排气系统中的若干关键尺寸用软件参数值来表达，通过对其进行三维稳态流动数值模拟计算及优化工作。通过优化降低了气道阻力损失，改善了流动均匀性能。其工作很好的实现了CAD和CFD的整合，缩减了工作任务时间，提高了工作效率。湖南大学的龚金科等人建立了某型号柴油机新设计与旧的排气歧管的CFD三维仿真模型，计算得到各自的流场特性，分析了排气歧管局部流动损失，结果表明新的排气歧管更加满足柴油机流动特性的要求。

在CFD技术快速发展的同时，近年来网格变形技术的日趋发展为气道形状优化设计提供了新的思路启发。CFD技术与网格变形技术相结合使得气道形状优化设计实现自动化、高效化、流程化成为可能，便于设计者设计出理想的气道形状。

本课题主要以某企业设计的油雾探测器的探头部分为基础采用逆向工程的思想，完成对其内部流场的CFD仿真计算，并采用网格变形软件对气道形状进行微变，以期能够提高其采样通道的流量系数及涡流比，使油雾探测器故障率下降，同时使油雾探测结果更加准确。逆向工程的设计流程如图3所示。

图3. 逆向工程设计流程

2. 研究的基本内容与方案

研究目标：

本文以某企业设计的油雾探测器为模型，形状的优化工作内容主要集中在其探头内。实现cfd计算与网格变形技术相结合，在气道优化工作中得到运用，优化探头内气道的形状，提高其流量系数、涡流比等，改善流动性能，具体为：

3. 研究计划与安排

2015年02月22日--03月06日：调研，完成英文文献翻译，完成《开题报告》。

2015年03月07日--03月13日：阅读参考文献，熟悉cfd软件的基本流程，并了解学习软件。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]顾宏中. 大功率柴油机的技术发展[j]. 柴油机,2005,01:1-4.

[2]陈明.柴油主机曲拐箱油雾浓度探测器的发展.香港明华船务有限公司[[j] }2002.

[3]李红飞. 船舶柴油机曲轴箱油雾浓度检测装置的研究与设计[d].武汉理工大学,2013.