（工程热物理专业论文）发动机进气道稳流试验的计算机模拟.pdf

发动饥进气道稳流试验的计算机摸拟 摘要 本文以2 1 0 0 柴油机切向进气道为例探索了使用计算机模拟进气道稳流试 验及其性能评价的方法，并详细阐述了模型的建立、网格的划分以及气道性能 的评价方法。 通过分析计算所得的缸内气体速度矢量图，作者分析了缸内水平涡流和垂 直方向滚流的产生原因以及它们相互作用的机理。通过、认真分析，得出滚流于乖 制涡流的结论。并且提出了改善进气道性能的几条意见，说明进气道如任能不 但和自身的几何尺寸有关，还与气缸长度、气阀中心到气缸中心的偏心距等因 素有关。 进气道性能评价参数的计算值和实验值进行了比较，结果还是比较信服 的，对于下步的进气道性能模拟计算打下了坚实的基础。 关键词：柴油机迸气道稳流试验计算机模拟 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 a b s t r a c t t h es i m u l a t i o no f2 1 0 0d i e s e le n g i n ei n l e tp o r ti ns t e a d yf l o wr i g iss t u d i e di 1 3t h i sd i s s e r t a t i o n s o m e i m p o r t a n t is s u e sa r ed is c u s s e d s o c ha sh o wt 0e s t a b l i s ht h e m o d e l ，h o wt od r a wt h ec o m p u t eg r i da n d t h ew a y st oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro fi n l e t p o r t a f t e r c o m p u t i n g t h ea i r f l o wi nt h e c y li n d e r ，w e c a nd r a ws o m e c ot 3 c l u s i o n st h a th e r iz o n t a i e d d yf l o wc oa c tw i t hv e r t i c a le d d yf l o w t h es t r o n g e rt h ev e r t i c a le d d yf 1 0 wi s ，t h ew e a k e rt h eh e r i z o n t a le d d y f l o wb e c o m e ，s t u d yt h ev e l o c i t yv e c t o rint h ec y 】_ i n d e r w ec a nf i n dt h a t v e t t ic a le d d yf l o wi n t e r f e r ew i t ht h ec r e a t i o no fh e r i z o n t a le d d yf l o w a n dt h ep e r f o r m a n e e so fi n le t p e r tn o to n l yh a v es o m er e l a t i o nw i t hi t s g e o m e t r y ， b u ta ls oa r ea f f e c t e d b y t h e 1 e n g t h 0 ft h e c y l i n d e r e c c e n t r i c i t yd i s t a n c ef r o mv a l v ec e n t e rt oc y l i n d e rc e n t e r a p r o g r a mw r l t t e nb yt u r b oct r e a t st h ec o m p u t ed a t aa n dc o m p a r e s t h ec o m p u t ed a t aw i t he x p e r i m e n td a t a t h er e s u l t is e n c o u r a g i n ga n d w ec a nd e a lw i t h0 t h e r in je t p o t t st h r o u g ht h es a m ew a y s a n dt h e c o m p u t e rs i m u l a t i o no fi n l e tp o r tis v e r yh e i p f u lt 0t h ed e s i g no fi t w eb e l ie v et h a t s o m e d a yt h es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fin le td o r t i nt h e s t e a d yf l o wr i gw il lb eu s e di nt h e e n g i n e e r i n gp r o d u c e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；i n l e tp o r t ；s t e a d yf l o w t e s t ；c o m p u t e r s i m u l a t i o n 2 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 日舀 加入世贸组织之后，我国汽车、摩托车工业以前所未有的速度向前发展， 摩托车的年产量已居世界第一，轿车正快速进入中国人的家庭。世界六大汽车 制造商已经全部入驻中国，表现出对于中国这个潜在的巨大市场的强烈兴 趣。面临逐步降低汽车关税的巨大压力，迫切要求迅速提高自主开发能力，为 我国汽车工业走向世界、为我国经济发展做出贡献。 汽车产业作为重工业的龙头，对于拉动整个社会的工业水平、就业情况、 以及商业活动，都有着举足轻重的作用。而且一个缺乏自己汽车产业的国家， 在当前仍旧变化动荡的世界格局里，也就缺乏安全感。 令人庆幸的是近年来内燃机技术己取得引人注目的突破性进展，一些符合 “部分零排放车辆( p z e v ) ”和“超超低排放车辆( s u l e v ) ”规定的汽车已 经问世，这让许多认为内燃机即将淡出历史的专家大跌眼镜。甚至丰田公司也 计划减少对于燃料电池的投资，而将主要力量集中到内燃机以及代用燃料的研 究上。因此可以认为，未来无污染汽车的动力肯定是新一代内燃发动机。以上 成绩的取得主要归功于对内燃机燃烧与排放的持续研究和以计算机控制为核 心的电子技术的成功应用以及计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 和发动机 1 2 计算机仿真模拟的应用。 而发动机气道的优劣直接影响到发动机经济性、动力性及排放性能，是发 动机性能设计的关键之一。所以对于发动机气道使用快速而有效的设计方法成 为迫切需要。传统的气道设计方法不准确、工序复杂、周期长、人力物力浪费 大、并且需要使用有毒的化学药品。而在采用计算机辅助设计以及计算机仿真 模拟之后，不仅气道的表面曲线可以符合非均匀有理b 样条( n u r b s ) 方 法，而且可以缩短设计周期，节省人力物力，并且可直接使用数控机床进行加 工。 本文以2 l0 0 柴油机缸套相配，通过计算机模拟研究了切向进气道的各 性能参数。探讨了进气道稳流试验的计算机模拟的可靠性。 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 第一章绪论 1 1 课题的理论意义和价值 随着排放法规的日趋严格，发动机的整体性能要求越来越高。而发动机气 道的优劣直接影响到发动机经济性、动力性及排放性能，是发动机性能设计的 关键之一。 气缸盖是发动机中最为复杂的零件之一，复杂就在于其气道和水套上。而 水套其实是由气道表面平移铸造壁厚得来的，所以研制发动机气道也成了攻克 缸盖结构设计的核心。 所以，对于发动机进气道的c a d c a m c a s ( c o m p u t e ra i d e ds i m u l a t i o n ) 计算机辅助研究成了当前国内外的一个重点。 1 1 1 传统研制气道的过程 传统研制气道一般步骤是： 有气道造型师按照设计要求( 如进排气口位置、气阀中心位置、缸盖螺 栓孔几推杆位置、燃烧室位置、喷油器位置) 捏出符合缸盖布置的气道 阳模( 即泥芯) 。 放入环氧树脂中反扣出上下两块的气道阴模。 气道抽气试验。 反复上述步骤直到满足气道性能。 阴模定型，制造沙芯模具。 等到完成整机匹配试验( 进排气道、喷油嘴、燃烧室三者之间的优化匹配) 后 气道才能最终定型。 1 1 2 传统研制气道的主要问题是 不准确 周期太长 消耗大量人力、物力 需要使用有毒的化学药品 图1 1螺旋进气道缸盖 f i g 1 一l h e l i xi n l e tp o r tc a p 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 1 1 。3 气道c a d 过程 气道三维流动分析的优化目标是：首先要保证气道表面光顺，使气流阻力 最小，同时满足气流进入气缸后能形成与燃烧系统相匹配的涡流比，即满足给 定涡流强度条件下，使气道达到最好的流通特性。气道里的气体流动是三维、 非稳态、伴随有传热和摩擦等现象的可压缩气体流动，应用相应的计算软件 ( f l u e n t 、s t a r - c d 、e t c ) 可建立气道一气门一气缸气体运动数学模型，流体 分析计算的计算精度可达5 之内。李斯特内燃机研究所有较为成熟的计算方 法和程序，国内近几年也有多家科研单位研究出相应的计算方法和程序，比如 天津大学内燃机国家重点实验室、东风汽车公司cad 技术中心等等。 采用c a d 作气道有以下好处 气道表面光顺，外形能得到精确控制 气道流通截面修改容易 能提供相应软件进行三维流动分析 能直接投影或剖切生成工程图，供制作 水套芯模 能提供c a m 生成数控机床n c 代码 能在计算机屏幕上直接检查气道走向是否合 理，空间位置是否干涉，并输出三维p s 图 避免过多重复性、机械性劳动 设计开发周期短 图i - 2 f i g 1 2 图1 3 气道cad 制作外形图 f i g 1 - 3 i n l e tp o r tc a df i g u r a t i o nd r a w i n g 气道cad 制作流程 i n l e tp o r tc a df l o ws h e e t 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 需要注意的是，气道表面是复杂的自由曲面，它的形状变化比车身表面更 急剧，同时也要求高的光顺性，用一般的直线和圆弧无法描述。因此，单纯用 画法几何与机械制图是不能表达清楚的。国际标准化组织1 9 9 1 年颁布的关于 工业产品数据交换s t e p 国际标准，把非均匀有理b 样条( n u r b s ) 方法作 为定义工业产品几何形状的唯一数学方法。因此对于气道外形描述也应采用 这种方法。用n u r b s 方法拟合生成的气道外形的三维曲面数据，拟合误差远 远小于生产制造的误差，有足够的精度提供给c a m 进行数控加工。 本文所采用的进气道三维模型就是通过非均匀有理b 样条( n u r b s ) 方 法生成的。使用f l u e n t 公司的建模工具g a m b i t 2 0 3 ，先确定气道轴线上的 轮廓点，然后以n u r b s 方法生成进气道轴线，再以s w e e p 方法生成进气道三维 模型，最后对所得进气道模型与气门气缸模型进行光滑过渡结合。 1 1 4 本文所做工作的意义 本文主要探讨了进气道一气门一气缸内流体的流动特性，以及对于该进气 道各性能参数的计算，并且与进气道稳流试验台上的实验数据进行比较，从而 总结出使用计算机模拟进气道稳流试验台的一些有意思的结论。 进气道计算机仿真设计和稳流试验台相结合，将极大的缩短气道的设计周 期，并且在经济上和技术上都有着巨大的优势。通过以上方法确定后的进气道， 可以很方便的用数控机床进行加工，真正实现了无图纸高精度制造。未来的概 念型汽车，必将采用这种新型的设计理念。福特公司最新构思的概念车，正是 全部采用了c a d c a m c a s 进行设计。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 气道设计方法概述 在柴油机中，进气过程进入气缸的空气量和气体的速度分布及其涡流和 湍流状况等明显影响着燃烧过程，从而影响其经济性、动力性和排放指标。中 小型高速直喷式柴油机常利用螺旋进气道来产生适当的进气涡流以促进燃料 与空气的混合，改善其燃烧过程。传统的螺旋进气道设计方法是稳流试验法脚， 即采用经验设计和在稳流试验台上进行反复试验、多次修正的方法进行设计。 同稳流试验法相比，三维数值模拟的研究方法具有以下优点： 通过对结构参数与计算结果进行分析，可以发现气道性能随结构参数 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 变化的规律，从而找出影响气道性能的主要参数，因而可以从理论上 指导试验工作，减少试验的盲目性： 可获得一些试验不能测量或难于测量的结果，是试验研究的一个重要 补充： 便于对气道结构进行优化设计，找出最佳的结构形状。 1 2 2 国外研究情况 虽然多维数值模拟在内燃机上的应用已有2 0 多年的历史，但由于内燃机 进气道( 尤其是螺旋进气道) 结构非常复杂，计算网格的生成极其困难，对一实 际内燃机的进气道，生成三维流体计算网格大约需要4 6 周时间。因此，内燃 机进气过程的多维模拟起步较晚，1 9 7 3 年c h o n g 首次采用了有限差分法求解 层流流动的方程组。1 9 8 4 年g o s n l 8 n 和w a t k i n s 等人对发动机中空气流动进行 了三维模拟计算，采用了k - e 双方程模型，研究了燃烧室形状对空气流动的影 【6 1 响，并将计算结果与试验进行了比较。1 9 8 8 年g o s m a n 等人用k e 模型计算 了一个轴对称模型气门，并做了实验，与计算结果进行了比较，研究结果表明， 用标准的k 一模型得出的计算结果在小气门升程下与实验结果吻合良好，而在 大升程下，其平均速度和紊动能均呈现较大的过预测。1 9 9 0 年d a n i e l 等人做 了单气门气道、双气门气道、双气门带涡流或滚流台肩的气道的三维模拟计算， 并用实验进行了验证。同年，s u g i u r a 等人对切向气道缸内空气运动进行了三 维模拟，计算中采用了分区耦合技术以及贴体网格生成技术生成网格。1 9 9 8 年，c l e l l i s o n 大学和c a t e r p i l l a r 公司对柴油机进气系统进行了稳态模拟，为了 便于生成计算网格，他们对原始几何模型做了一些修改。p e r k i n s 公司利用自 己开发的网格生成器将模拟计算结果与l d a 测量结果进行比较，模拟计算的缸 内涡流强度与测量结果的最小误差为5 1 j 6 。 近年来，李斯特内燃机研究所对于气道的模拟计算有较为成熟的计算方法 和程序，a v l 公司也在开发类似的研究软件。 1 2 3 国内研究情况 国内在数值计算模拟内燃机内气体流动方面的研究主要是从2 0 世纪8 0 年 代中后期开始的，1 9 8 9 年吉林工业大学孙济美等人用修正的k 一模型计算内 燃机进气门流场，并用热线风速仪进行了测量，结果发现，模型修正后使气道内 流场的预测精度提高了很多。1 9 9 8 年，华中理工大学的杨玟嗍用s i m p l e 方法在 稳流试验台上对一螺旋进气道的流动状况进行了三维模拟计算。武汉汽车工业 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 大学的常思勤等人对螺旋进气道进行了c f d 模拟，并对螺旋进气道进行了参数 化设计的研究，讨论了螺旋迸气道性能的评价方法。目前，将模拟计算结果直接 应用于产品改进中的报道很少嘲。这主要是因为内燃机是一种发展得比较完善 的动力装置，简化的几何模型和边界条件的模拟结果对内燃机性能改善的指导 作用大大下降。而在对实际发动机气道进气过程进行三维数值模拟时，存在以 下困难： 计算网格难于生成。根据发动机中的实际气道形状生成三维c f d 计算 网格极其困难，而如果对气道形状稍作修改( 如1 m m 2 m m ) ，模拟计算 结果可能就会与真实气道的流动特性差别很大。这种计算结果只能用 作定性分析，不能用作定量分析。并且，如果生成的网格不合理，容易 使计算过程发散并且不稳定： 计算机速度慢。就目前工程上应用的计算机运行速度而言，计算机运 行速度太慢。c 1 e m s o n 大学应用带有4 个c p u 、内存为1 g 的 s u n s p a r e s e t v e t l o o e 计算机将进气系统划分为8 4 万个网格，对每一 气门升程计算所用时间为1 0 0 h ； 进气边界条件难以确定。一般利用试验测量结果来确定边界条件。但 试验测量的方法只适应于对现有气道的计算过程，而无法在设计新气 道或对现有气道进行改进设计时应用。三维流体计算在工程上的应用 就是要利用三维流体计算的结果来设计新的气道或对现有气道进行 改进设计，而此时计算所用的气道还未加工出来，无法进行试验测量。 因此，国内近年来虽然在内燃机的数值模拟方面取得了较大的进展， 但是因为资金以及工艺制造方面的不足，仍然没有把模拟结果直接投入 工程生产的例予。不过，东风汽车公司技术中心以及无锡油泵油嘴研究 所、天滓大学内燃机国家重点实验室等科研单位已经作了大量的研究工 作，已经建立起集数据采集、数据处理、性能评价、计算模拟于一身的 一体化稳流试验平台，随着国内汽车厂商对于自主研发与科研院所的合 作加强，以及对于国外技术的逐渐跟进，不久就会出现真正意义上的 c a d c a m ，c a s 结合稳流试验台的实际生产。 1 3 本文所做主要工作 本文以2 1 0 0 四气门柴油机缸盖缸套结合切向迸气道，计算分析气道一气门 一气缸内气体流动特性以及气道的流量系数、涡流比等参数，分析了不同升程 时气流的变化规律，并为以后气道的计算机模拟设计总结了一定的规律。 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 1 4 本章小节 本章概述了进气道稳流试验计算机模拟的意义和价值，以及国内外研究现 状，简要介绍了本文所作的主要工作。 垄塾塑堂皇堂堕堕堕墼塑生墨垫堡型 一 一 第二章气道稳流试验计算机模拟的理论基础 2 1 气道稳流试验原理 稳流试验是用来评定气道的流通能力和形成涡流能力的主要方法。评价进 气道性能的优劣，可通过气道稳定流动试验台进行模拟试验。目前通常采用的 气道模拟试验方法主要有三种，即定压差法、模拟空气体积流量法及分段模拟 1 7 1 进气动态过程法等。 模拟空气体积流量法，是在使汽缸内气体轴向流速等于实际发动机活塞平 均速度时，测的所需参数，再求出相应的流量系数和涡流比。 分段模拟进气动态过程法，即把实际发动机的进气过程分为若干段，在稳 定流动试验台上逐段模拟各微元过程的气阀升程和活塞空气排量，再求得所需 参数。 以上两种方法虽然较符合相似理论，较接近实际过程，但在需要模拟较高 转速时，鼓风机的功率必须足够大，同时试验操作和数据处理都比较复杂。 相比之下，定压差法克服了以上缺点，应用比较广泛。定压差法，即保持 气道在恒定的压力差下，测定流量计压力差和缸内涡流转速，并利用流量系数和 进气涡流比这两个无囡次参数作为旋流气道的评定指标。缸内涡流转速的测量 受许多因素的影响，例如涡流计类型、测量位置、试验气缸长度等等。 因此一般的气道稳定流动试验是在稳压流动的条件下测量缸内迸气涡流 强度、进气道阻力特性的试验，气道稳流实验装置是目前工业上最常用的综合 评价进气道流动特性的实验装置，主要由抽气机、稳压箱、模拟缸套、涡流计 和流量计等组成。抽气机吸气，从而使稳压箱和气道进气口之间产生压差，进气 道出口气流穿过模拟缸套中的涡流计，涡流计通过扭矩反作用力，测得气缸中空 气流的角动量矩。 目前涡流计有两种，即叶轮涡流计和动量涡流计。叶轮涡流计是把时轮的 转速近似地看作气流的转速来转换成角动量矩。这种方法建立在气流作刚体涡 的情况下，忽略了轴向速度分靠和切向速度分布的影响。因此，此种方法误差较 大，易受气道导向、气门的布置、气门大小和数目、气门升程和测量面离气缸 盖的距离的影响。另外，叶轮叶片的形状和数目也影响测得的涡流的大小。 动量涡流计由一个蜂窝状基体组成，它阻挡涡流。在动量涡流计后面仅有 轴向速度分量。因此，作用在涡流计上的扭矩和原有的：角动量通量相等。此种 测量方法不受轴向速度分布和切向速度分布的影响，另夕i - ，外界环境对它的影响 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 引 较小。因此，这种方法测得的误差较小。 本文试验采用的就是定压差法。图2 1 为吸风式定压差法进气道稳压试验 台装置简图。 表2 - 1 实验所用测量仪器 t a b 2 1 e x p e r i m e n t m e a s u r e m e n ta p p a r a t u s 内容名称 转速测量t m 2 0 1 1 光电转速计 压力测量u 型管压力计 流量测量孔板流量计 气阔升程深度尺 鼓风机 j 0 2 4 1 2 气缸模拟气缸2 1 0 0 s 一风速仪转速测量装置6 一流量计孔板 7 一节流阀8 - 稳压箱 9 一进气道 图2 - 1 稳压试验台原理 f i g 2 1s t e a d yp r e s s u r ef l o wt e s tr i gp r i n c i p l e 9 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 2 2 气道性能评价参数介绍 目前国际上常用的评价柴油机进气道产生涡流的方法有多种，其评价参数 【9 】 各不相同。本文仅根据国内常用的a v l 方法编制了相应的数据处理软件。并 对数值模拟输出的参数以及实验得出的参数进行了数据处理和分析比较。 2 2 1r i c a r d o 方法 r i c a r d o 咨询公司采用流量系数c ，( 定义为流过气门阀座实际空气流率与 理论空气流率之比) 和涡流比r ，( 模拟气缸中涡流旋转转速与发动机曲轴转速 之比) 分别表示气道的阻力大小和涡流强度。它假定气道中的流动是不可压缩 的绝热过程。试验结果得到平均流量系数c ，和涡流比r ，。 2 2 2f e v 方法 德国f e v 咨询公司采用流量系数nk ( 定义为迸气道包括气门座和气阀有 效流通截面积与活塞顶面面积之比) 和涡流比c u c a ( 定义为叶片旋转的切向速 度与气缸中气流轴向速度之比) 来评价气道的流通能力和涡流强度的大小。它 假定进气过程为可压缩的绝热过程。试验结果采用发动机在9 0 最大气门升程 下的nk 和c u c a 分别表示平均流量系数( ak ) m 和平均涡流比( c u c a ) m 。 2 2 3 r i c a r d o 方法与f e v 方法的比较 r i e a r d o 和f e v 两种评价方法考虑的侧重点不同，如r i c a r d o 方法在测量系 数上只评价气道本身性能的优劣，不反映该气道与发动机缸径是否匹配良好而 f e v 方法反映它与缸径的匹配，而不反映气道本身性能的优劣。两种计算方法 计算如下。 1 平均流量系数c ， 巧= 2 c f d 口( ( 1 2 - - a i ) 【2 1 】 式中 a 。、1 2 2 一气门开闭对应的曲轴转角，r a d i a n 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 2 r i c a r d o 涡流比r ， 驴l d c ，n a i t 、d 遗 式中l n - - - - 发动机形状因数，k = 斋 b 、s 一一分别为发动机的缸径、冲程 n 一一进气门数 d 一一气门座圈内径 一一无因次涡流比，m = r - o r d n 一一叶片角速度 n 一发动机转速 3 f e v 的参数 理t = a s i a k 式中 a s 一一气道有效流通截面积，4 = o v 0 一 一一活塞顶面面积，a i = i r b 2 4 q 一一气体实际体积流量 一一理论进气速度 2 - 2 】 【2 3 】 2 2 4a v l 方法 在定压差试验中，引入一个无因次特征值一一流量系数a c t ，其物理概念 是以气道喉口面积只为基准，在一定气阀开度下，通过气道的实测流量q 与 理论上能通过e 的流量幺之比。流量系数肛的计算方法如下： 1 流经气道的气体流量q q = 。【- 氐、3 2 卸。油o 2 4 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 式中 以一一孔板截面积 a 一一流量计的流量系数 s 一一气体膨胀系数 印。一一流量计前后压差 岛一一流量计前气体密度 2 理论流量 q = i 1 石d ，2 ，而 式中d 。一一气门座内径 衄一一气道前后压差 n 一一流量计前气体密度 3 流量系数 t o = q q l 4 涡流比q 【2 5 ( 2 - 6 】 涡流比q 的物理意义是空气进入气缸后所产生的旋流转速与模拟发动 机实际转速之比。 其中由实验测得，= 1 2 0 q ( 疗d2 - s ) 5 综合性能系数x n 2 7 在有些情况下，如有几个进气道，其涡流比大体一致，而流量系数各 异，由于u o - 和q 数值交叉，而难以取舍哪个气道时，要用到进气道性能综 2 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 合评价系数，该系数是进入气缸内气体的轴向动能与切向动能的加权之和， 它从利用能量的有效性角度综合评价气道性能。 x n = ( l c r d r d ) 2 1 + ( 0 3 7 5 q 谚咖) 2 2 - 8 2 3 数学模型及计算方法 2 3 1 多维数值模拟的湍流模型简介 内燃机进气道一气门一气缸内流动的多维数值模拟的实质是对可压缩性 粘性流体的n s ( n a v i e s s t o k e s ) 方程进行数值解。一般应用的守恒方程有： 质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、湍流模型以及理想气体状态方 程。由于至今对湍流现象的认识还不够，因此在多维数值模拟中对湍流的描写 都是建立在各种各样的模型基础上的。图2 2 给出目前应用的各种湍流模型 的分类。 湍流模型 完全模拟 大涡模拟 雷诺时 均方程 粘性系数模型 雷诺应力模型 图2 - 2 湍流模型分类 f i g 2 - 2 c l a s s i f i c a t i o no ft u r b u l e n tf l o wm o d e l 零方程模型 一方程模型 两方程模型 多方程模型 完全模拟是用非定常n s ( n a v i e s s t o k e s ) 方程来对湍流进行直接计算 的方法。用该方法进行计算时，必须采用很小的时间步长和空间步长，目前计 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 算机的运行速度和内存容量远远达不到计算要求。只有把全世界的计算机联网 并行计算，才可进行更高精度要求的计算。大涡模拟是把涡分为大尺度涡和小 尺度涡，大尺度涡是高度各向异性的，小尺度涡是各向同性，大尺度涡从主流 中获得能量并传递给小尺度涡，在小尺度涡中把能量消耗掉。用非定常n s ( n a y i e s s t o k e s ) 方程直接模拟大尺度的涡，而不直接计算小尺度涡，小尺 度涡对大尺度涡的影响用近似的模型来考虑，以减少对计算机内存的要求。而 雷诺时均方程法，则是将非定常控制方程中的参量对时间做平均，在所得出的 关于时均参量的控制方程中，引入脉动量乘积的时均值等未知量，使所得方程 式的个数少于未知数的个数。湍流模型的目的就是提供合理的方程，使方程组 封闭。雷诺时均方程法又分为雷诺应力方程法和湍流粘性系数法，其中湍流粘 性系数法较为常用，湍流粘性系数法根据补充的微分方程个数，分为零方程模 型、一方程模型、两方程模型和多方程模型，目前，在内燃机缸内流动的多维 n 2 1 l l l 】 模拟计算中，主要应用两方程模型。下面就本文所用的f l u e n t 软件的数 学模型作一般性说明。欲求更详细地了解，请参考文献英文版f l u e n t 使用手册 f 1 3 】 1 4 j 【1 6 l 。 2 3 2 气流运动的基本方程 在正交曲线坐标中，设进气道一气门一气缸内任意点的速度为 “= “( f ，工，y ，z ) ，v = v ( f ，工，y ，z ) ，w = w ( t ，x , y ，z ) ，密度户= p ( f ，z ，y ，z ) ”1 。 1 质量守恒方程 票+ 掣+ 掣+ 掣：o 【2 - 9 】 西融西出 。1 2 质量守恒方程 a ( p u ) + 堕趔+ a ( p o + 刿 a fm 母 昆 = 一糕4 掣+ 珈卦瓤象+ 割 降 + 鲁 叩( 罢+ 老) + 昙 叩+ ( 罢+ 言；+ 警) + p g ， 一一 垄塑垫堕皇堂整堕蔓墼盟盐整垫堡型 煎盟+ 塑尘+ 盟型+ 型 o t卸 o z 一瓣4 掣+ 荆塞+ 卦珈期o v 协 + 荆考+ 甜荆塞+ 考+ 甜p 岛 在z 方向 o ( p w ) + 型+ o ( p w ) + o ( p w w ) o t苏 o y o z = 詈詈以掣+ 荆芸+ 讣瓤尝+ 铡陋，：， + 鲁 ：叩暑 + 昙 玎( 尝+ 考+ 老 + p g ： 上式中，p 为流体压强； 为常数，当鸽= 1 ，用于湍流流动， 当心 。0 ，用于层流流动；| 为流体的湍动能；g 为重力加速度；玎 为第一粘度，町为第二粘度，通常动力粘度叩是温度和雎强的函数 体变形粘度r l 可以略而不计】。 c 3 ( p e ) + 塑堕+ 垫! + o ( p w e ) o t o x却如 = p ( 罢+ 丽o v + 罢 + ( t 一心) 口 z 玎 ( 罢) 2 + ( 考 2 + ( 警) 2 + 印 ( 考+ 塞 2 + ( 老+ 爹 2 + ( 豢+ 詈 2 州( 象+ 万o v + 暑j + a 班+ 鲁卜罢 + 茜l 羽+ 鲁l i o t ( 2 - 1 3 】 发动机进墨堕塑亟垫坠塑盐塞塑堡型 一 _ ；i _ _ j 五i ；瓦磊5 工i 磊_ 磊磊流耗散率”针； 为流体导热系 上式中p 为流体比热力学能；占为流体揣流耗散翠 5 刀”“阡亓” 数。 4 k 一双方程湍流模型 堕盟+ 盟型+ 塑盟+ 掣 加苏砂 龙 = 吾肚( 鲁+ 考+ 老) + z 叩 ( 尝) 2 + ( 考0 ( 警 2 陋。4 ， + 帐m - + 笥+ ( 暑+ 笥+ ( 警+ 朝 州( 暑+ 面o , v + 芝) 2 十去陪刳+ 昙 卺考 + 昙 最刳一伊 亟盟+ 型+ 型+ 垫坐型 疣苏砂 出 = 一( 詈e 。一) 伊( 豢+ 考+ 老) + 昙 卺塞j + 茜陪考 + 毫 苦塞 + 妻g 口 f 叩f ( 考+ 罢 2 + ( 老+ 考 2 + ( 蓑+ 詈) 2 m 舒( 钳m 罢寺斟 一；如 【2 - 1 5 】 上式中，f 为流体湍流耗散率；e 。、e ：、e ，、瓯、耽均为常数，其值 由实验提出，在用于内燃机进气道气门一汽钰内流场计算时，可取表2 - 2 l 中得值。 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 表2 - 2k e 方程中所用常数 t a b 2 - 2c o n s t a n ti nt h e k 一占e q u a t i o n 卜 q ：q ，p hp r ,ql | 1 4 4 1 9 2o 31 o1 31 5 1 5 理想气体状态方程式 p = r t o e ( p m 。) e ( r ) = ( p 。p ) ( r ) 勺( r ) = ( 只，p ) c ，。( r ) k ( r ) 2 ( r ) + 瓦r t 上式中，r 为摩尔气体常数：以为组分的摩尔质量；c p 。为组分m 的比定压热 容，r 为流体温度。可以采用以下经验公式计算有关物性参数 叩= ( 1 0 一& ) p r o + l ，+ a p c k 2 s 玎= 4 叩 1叩c p l = 一 p r 【2 2 0 】 2 - 2 1 】 2 2 2 】 一r ； a 一2 贡i 2 2 3 】 上式中，、4 、4 均为常数，4 = 一詈，q = 0 0 9 ，p r 为p r a n t l 常数。 以上总共8 个方程式，可求出进气道一气门一汽缸内任意点的 p ，p ，t ，“，v ，w ，k ，s8 个未知量。同时应用k = 去“以及上面有关 湍流特性参数的关系式，可以求得湍流强度“和湍流标尺的值。前面已经 指出，目前三维数值解对平均气流速度具有足够精度，对u 的计算值误差 研 吲 嘲 聊 l 一 口 p 口 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 大于5 ，对湍流标尺的计算误差大于20 川。 2 3 3 边界条件 基本方程组给出以后，为了获得定解，尚需给出初始条件和边界条件。初 始条件就是给出某一初始时刻的速度、压力、密度、温度等的分布，通常是由 实验给出或根据经验人为设定。边界条件的种类很多，根据求解问题的不同， 采用不同的边界条件，如来流边界条件、下流边界条件、固体壁面边界条件、 自由边界和间断面边界条件。 控制方程采用任意拉格朗目一欧拉法( a l e ) ： 昙- p 础+ j p 妒g ，一“d _ 2 一l 内考鸭+ ，疋咖 【2 - z 4 】 以ale ( 任意拉格朗日法，arbitaryla g r angian eu1ermetho d ) 方法为基础的f l u e n t 、k i v a 等程序可处理 多种边界条件，以下按计算气缸内压缩过程中气流流动的要求，介绍一下有关 边界条件的处理方法。 1 固体壁面边界条件 固体壁面是流场中最为常见的边界条件，其速度、温度、k e 方程的 边界条件为： ( 1 ) 速度边界条件 速度边界条件分为有滑移、无滑移和壁面函数规律边界条件。对于粘 性流体，一般采用粘附条件，即认为壁面处流体速度与壁面速度相同，当 壁面固定不动时，壁面处的流体速度为零，当壁面运动时，壁面处流体的 速度为： “2 “，m 式中“。为壁面运动速度。对于无粘性流体运动，即采用滑移条件，即壁 面上的流体相对于壁面可以有相对切向滑移，但法向速度则需相同，设“ 为壁面法向单位矢量，n 表示法向，则 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 越n 2 “m 甜 2 2 5 】 在常见的几个c f d 软件中，一般建议使用壁面流体速度分布的函数规 律，其法向速度分量与式【2 2 5 相同。而切向速度分量满足对数函数分布 规律，即 三一版l i l ( 彩) 似p r e c ”i 古舌 r e 。 【2 2 6 】 在式【2 2 6 】中，设节点到壁面的距离y 足够小，使计算节点布置在层流底 层或对数函数规律的边界层内。此外v = i “一“。i ；毒为壁面处的雷诺数 善2 丽p y v ：g w 删5 ；r e c = 1 1 4 ；c ，鼢别为 fi c = q j c 。：- c , ) p = o 4 3 2 7 曰玳c 一面研1 诵 此外，式【2 2 6 】中的u + 为剪切速度，根据下式决定 r 。= p u 式中l 为平行于壁面的切向应力。 ( 2 ) 温度边界条件 温度边界参件分为3 类，在通用的c f d 程序中只给出第一类边界条件( 给 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 出壁面处热流量= 一舸m ) ，但这两类边界条件可以实现相互转换，例 如，若给定壁面处的温度值，对于壁面函数法可从雷诺比拟关系式得出q 。 g 。 a c ，( t - l ) f r e 。 击 参+ f ! p 蔓r 一- r e 。；丁，毒鼬。 式中p r l 为层流p r a n d t l 数。 ( 3 ) 湍流k e 方程的边界条件 v 七h = 0 即湍动能k 的梯度在法向应保持为零。 s = 喙等 式中q ，= 去 j ；，为离壁面的垂直距离。 【2 2 7 】 2 2 8 】 2 - 2 9 2 进出口压力边界条件，在作二冲程发动机换气过程计算时，扫气口和 排气口处的边界条件为给定压力边界条件。 3 轴对称边界条件 内燃机气缸具有轴对称性，计算有时不一定针对整个气缸进行，在剖 分的轴对称面上可按照滑移固体壁面来处理。 一 峙 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 2 4 f l u e n t 简介 f l u e n t 公司主要有以下几个产品， i c e p a k ，m i x s i m ，a n d p o l y f l o w 。 情况。 2 4 1g a m b i t 应用 a i r p a k ，f i d a p ，f l u e n t ，g a m b i t ， 这几个产品涵盖了流体与传热中的各种 g a m b i t 是c f d 软件的前处理器，可以建模和划分网格。而且，除了自 身能够输出m e s h 文件之外，它还可以兼容s t e p ，p a r a s o l i d ，i g e s ，a c i s 等其他建模软件输出的格式，并能转换成f l u e n t 认可的m e s h 文件进行计 算。此外，g a m b i t 可以很方便的生成各种结构化及非结构化网格，如六面体 网格、四面体网格、棱锥体网格和棱柱体网格。可以进行网格质量的检查，可 以设定边界等等。并且可以为f l u e n t 公司旗下的所有求解器建立模型和划 分网格，例如f l u e n t 求解器，p i d a p 求解器，和p o l y f l o w 求解器。 虽然如此，g a m b i t 仍旧有着其不足，相比较而言，建模功能没有p r o e 强大，划分复杂形状三维图形的网格时功能也没有h y p e r m e s h 强大。不过 它的优点在于，如采建的模型比较简单，可以很快的就生成高质量的网格。然 后设置求解器、边界条件和流体属性，输出m e s h 文件。之后由求解器f l u e n t 读入m e s h 文件，设置好物性参数以及边界条件，还有控制方程、输出参数和 监视屏幕等条件，就可以开始计算，然后根据计算结果与经验及理论相比较， 迸一步调整松弛因子以及细分某些局部的网格。就可以逐渐取得更高精度要求 【2 习 的计算结果 。 不过g a m b i t 有着较为强大的三维绘图功能，可以方便的生成各种想要 得图形。包括内燃机发动机复杂的缸盖、偏心燃烧室的活塞、整个汽车的模型 1 2 那 图等。下面简单说明g a m b i t 的使用方法 。 启动w i n d o w s 附件里的命令提示符，键入g a m b i tn a m e ，n a m e 就是你想要建立的文件名，然后回车，就可以进入g a m b i t 绘图界面，然后 就可以由点到线到面的绘制复杂的几何图形了。 当你绘制完图形之后，正确退出g a m b i t ，可以在工作目录下看到 n a m e d b s 、n a m e j o u 、n a m e t r n 三个文件。n a m e d b s 是保存所有绘图信 息的数据库( d a t a b a s e ) 文件。n a m e j o u 是工作日恚( i o u r n a l ) 文件，n a m e t r n 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 是g a m b i t 输出的抄录( t r a n s c r i p t ) 文件。此外，如果用户非正常退出或中 断g a m b i t ，工作目录下就会多出一个文件n a m e 1 0 k ，其实这个文件在你正 常启动g a m b i t 之后就出现了，它可以防止别的用户通过别的用户帐号登陆 后修改你的n a m e 文件，就是锁定你的这个文件，只允许你来操作。当你正 常退出g a m b i t 时，这个文件就会被自动删掉。上面说到非正常退出时，工 1 2 引 作目录下的n a m e 1 0 k 就没有被自动删掉，这是用户再想进入这个文件进行 绘图，g a m b i t 就会提示这个文件已经打开，并禁止你进入。这时用户所需要 做的仅仅是删掉n a m e 。l o k 文件，这时就可以正常地进入g a m b i t 来编辑 n a m e 文件了。 绘制完想要建立的模型之后，就要考虑划分网格了，g a m b i t 可以通过改 变或者修改某些顶点的种类或位置，从而可以改变生成网格时的条件，以便生 1 2 5 1 成我们想要的结构化网格，例如六面体网格 。 1 端点( e 1 0 角度 1 2 0 零条内部网格连 接边 2 侧点f s l 1 2 0 角度 2 1 6 一条内部网格连 接边 3 角点( c ) 2 1 6 角度 3 0 9 两条内部网格连 接边 4 r e v e r s e ( r ) 3 0 9 角度 3 6 0 三条内部网格连 接边 f 口够 e e 甲妒s7 ” 畔甓 理r 图2 - 2 网格顶点的类型 f i g 2 - 2 c l a s s i f i c a t i o no f g r i dv e r t i x 滓锣爵 发动机进气道稳流试验的计算机模拟 2 4 2f l u e n t 应用 f l u e n t 可以应用于汽车发动机、汽车车身、高速航空发动机、火箭流场、 涡轮机、船舶设计、漩流、鼓泡塔、搅拌器、流化床、多孔介质等等领域的流 体研究工作。 2 4 3f i d a p 简介 f i d a p 是f l u e n t 公司旗下的一个求解器，可以用来模拟计算如下领域的 问题，聚合物的生成过程( 非牛顿流体非挤压模具成型) 、薄膜覆盖流体的流 动、生物医学工程上的血液流动、动脉变形和充氧过程、半导体工业中的晶体 生长以及别的领域的金属、玻璃熔化流动特性和化学过程。图2 3 是f i d a p 应 用于血管中的一个例子。 图 f i g2 - 3 2 - 3 主机箱 j ：l 的流场及温度分布 2 ，4 4p o