（动力机械及工程专业论文）四气门柴油机进气道recfdcam开发流程研究.pdf

四气门柴油机进气道r e c f d c a m 开发流程研究摘要进气道结构直接影响内燃机缸内充量的大小和涡流的强弱，直接关系到混合气形成、燃烧、排放以及整机性能。传统气道研发采用经验设计和稳流试验相结合的方法，研制周期长，且难以得到理想方案。采用r e ( 逆向工程) c f d ( 数值模拟) c a m ( 数控加工) 气道开发流程，实现了数字化的产品设计、分析、加工过程，并能够在模具制造前对气道性能做出准确预测并加以改进，从而提高模具和产品的精度、降低模具和产品的成本、缩短模具制造周期、提高产品质量。不仅可以对现有气道进行优化改进，而且可以快速有效的引进吸收国内外先进的气道设计成果。本文综述了国内外柴油机进气道的开发研究情况，确定了开展四气门柴油机进气道逆向设计开发流程的研究内容；采用逆向工程的方法建立了y c j 6 0 0 0 柴油机进气道三维几何模型；利用a v lf i r e 软件对双进气道( 螺旋气道和切向气道) 进行了不同气门升程下气i 萱气门一气缸的三维c f d 数值模拟；通过数控机加工制作出了该进气道的气道芯盒；按缸盖稳流试验所得的r i c a r d o 和f e v 评价参数分别验证了c f d 计算结果和气道芯盒试验结果，三者吻合良好，验证了r e c f d c a m 气道开发流程的可行性。关键词：柴油机进气道逆向工程数值模拟数控加工试验验证s t u d yo nr e c f d c a md e v e l o p m e n tf l o wo ff o u r v a l v ed i e s e le n g i n ea b s t r a c tt h es t r u c t u r eo f i n t a k ep o r td i r e c t l ya f f e c t st h eq u a n t i t yo ff r e s ha i ra n dt h es t r e n g t ho fs w i r li nc y l i n d e r , w h i c hh a v er e l a t i o n sw i mm i x l ：1 1 r ef o r m i n g ，s oa f f e c t st h ec o m b u s t i o n , e x h a u s ta n dt o t a lp e r f o r m a n c e b a s e d0 1 1e x p e r i e n t i a ld e s i g na n ds t e a d yf l o wt e s t , t h et r a d i t i o n a lp o r td e s i g nm e t h o dn e e d sal o n gd e v e l o p i n gp e r i o d , m o r e o v e l i sh a r dt og e tt h ei d e a ls c h e m e t h ed e s i g n - a n a l y s i s - m a n u f a c t u r ep r o c e s so ft h ep r o d u c tc o u l db cd i g i t i z e db yu s i n gr e c f d c a mt e c h n o l o g y , a n dt h ea c c u r a t ep r e d i c t i o no ft h ei n t a k ep o r tp e r f o r m a n c ea n di m p r o v e m e n tc o u l db ei n a d eb e f o r eb e i n gm a n u f a c t u r e d ，s ot h a ti tc o u l da d v a n c et h em a c h i n ep r e c i s i o n ，r e d u c ec o s to f t h ep r o d u c t ，s h o r t e nm a n u f a c t u r ec y c l eo fm o u l d ，i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t t h er e s e a r c ho ni n t a k ep o r ti nt h i sm e t h o dc o u l db eu s e dn o to n l yt oi m p r o v et h ea c t u a lp o r t ,b u ta l s ot od i g e s tt h ea d v a n c e dp o r td e s i g nw i t ha c c u r a c ya n dq u i c k n e s s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ea u t h o rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho nd i e s e li n t a k ep o r t , a n db r i n g sf o r w a r dt h et a r g e ta n dt h em e a n i n go fr e s e a r c h i n go nt h el v c l s ed e s i g np r o c e s so ft h ei n t a k ep o r ti n4 - v a l v ed i e s e le n g i n e ；b u i l d su pt h et h r e ed i m e n s i o n a lg e o m e t r i cm o d e lo ft h ei n t a k ep o r to fy c j 6 0 0 0v i ar e v e r s ee n g i n e e r i n g ；s i m u l a t e st h ef l o ws t a t u si nd o u b l ep o r t s( h e l i c a l - p o r ta n dd i r e c t i o n a lp o r t ) - v a l v e c y l i n d e rb yu s i n gt h ec f ds o f t w a r ef i r e ；p r o d u c e st h en e g a t i v em o d e lb o xo fi n t a k ep o r tc o l eb yt h em e t h o do fn u m e r i c a lc o n t r o l l i n gm a c h i n i n g ；v a l i d a t e st h ec f dc a l c u l a t i o nr e s u l ta n dt h es t e a d yf l o wt e s tr e s u l to ft h ec o l eb o xv i at h er i c a r d oa n df e ve v a l u a t i o na c q u i r e dt h r o u g ht h ef l o wt e s to fc y l i n d e rh e a d , a n dd r a w sac o n c l u s i o nt h a tt h et h r e es h o wg o o da g r e e m e n tw i me a c ho t h e r , w h i c hs h o w st h ef e a s i b i l i t yo ft h er e c f d c a md e s i g np r o c e s sf o ri n t a k ep o r t k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；i n t a k ep o r t ；r c v c r s ee n g i n e e r i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；n u m e r i c a lc o n 仃o l l i n gm a c h i n i n g ；e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o ni本文所用符号表口：速度矢量( m l s )。、v 、w ：速度矢量( ，在x 、y 、z 方向上的分量( m r s )：流体的动力粘度，动力粘性系数( s l m 2 )y ：流体的运动粘度，运动粘性系数( 所2 i s )五：流体的第二分子粘度( n s l m 2 ) ；流体的导热系数( w l ( m 目)h ：流体的比焓( j l 七g )t ：热力学温度( k )孽：热流密度( w l m 2 )r ：摩尔气体常数( j l ( m o l k ) ) ，半径( 研)盯：表面力( n )，：绰热指数( 对于理想气体，= 1 4 )肘：流体的质量流量( 培i s )埘，：流体的理论质量流量( 昭l a )4 p ：压差、真空度( p a )q ：流体的体积流量( i s )m ：扭矩( n m )口：缸径( 棚)s ：冲程( 肼)d ：气道喉口处直径( 用)a ：气道喉口处面积( 埘2 )，：动量矩流率、角动量通量( 培埘2 $ 2 ，肼)：进气门数户：密度( 船i m 3 )i vq ：进气门开启时对应的曲轴转角( a r c )：进气门关闭时对应的曲轴转角( 州)或：气门座圈内径( 棚)下标丹：法向t ：切向w ：壁面i 、h ：食覆，：小面( f a c e t )，：小面编号j ；滞止状态r e ：参考计算节点上标刀：当前时问步的值稃一1 ：上一时间步的值n 一2 ：下一时间步的值单位说明：如无特别说明，本文所用单位均采用国际单位制( s i ) v广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外。论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。论文作者签名：密叱学位论文使用授权说明年g 月，l 日本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文：在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。请选择发布时间：、【击口时发布口解密后发布( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定)论文作者签名：宝屯导师签名：湫力熟- 舢7 年月2 2 ，日蟛、嘶t 拉广西大掌硬士掌位论文四气门鬃泊机进气墟r e c f d c 删开生疵覆研究1 1 概述第一章绪论经过无数内燃机工程师的改进和技术革新，使内燃机的动力性、经济性、可靠性碍到了大量的改善，其应用技术已经非常完善。然而随着人们环保意识的不断增强和世界石油资源供应的日益紧张，内燃机行业面临着捧放法规、噪声控制和节约能耗等日益苛刻的巨大挑战。而这些挑战也将促使内燃机工作者在内燃机的各种基础研究和实用技术中不断改进创新，使内燃机技术发展到一个新的水平，开发出越来越多高效、节能、环保型的内燃机产品近年来内燃机的发展趋势表明，在内燃机产品中，柴油机的比重越来越大。目前柴油机在世界各地的各种重负荷应用领域中占据了绝对的统治地位，同时逐步发展应用到轻型车和轿车领域“咖。这是由于与汽油机相比，柴油机固有的优良特性主要体现在燃烧效率高、动力强劲、可靠性高、耐久性好以及c o 和未燃烃捧放较少。而且，随着柴油机强化程度的提高，以及电控、高压燃油喷射系统、四气门、e g r ( 废气再循环) 、捧气后处理等新技术的应用，柴油机的升功率、噪声、低温启动等都可以达到汽油机的水平。，对内燃机而言，无论采取何种新技术，归根结底都是为了改善燃烧。反映到具体的柴油机，就是燃油喷射系统、进气系统和燃烧室的合理设计以及三者之间的合理匹配，也就是通常所讲的“油一气一室“的设计与匹配啊而迸气道的结构直接影响内燃机缸内新鲜空气充量的大小和涡流的强烈程度，关系到充量系数和混合气的形成，从而直接关系到内燃机的燃烧完善度、摔气的成分以及废气可用能量等等。相对于传统的两气门，四气门技术增大了进排气门的总面积，有利于提高缸内空气流量，减少泵气损失以适应更高的发动机转速。此外，采用四气门技术可以满足喷油器垂直中置，使喷油器对正燃烧室中央，改善了燃油与空气的混合，从而改善燃油经济性和降低排放污染因此，四气门气道的研究是现代发动机设计的一个重点。传统的柴油机进气道设计采用经验设计和稳流试验相结合的方法，经多次修正进气道的几何形状，获得较高的流量系数和适当的进气涡流强度旧虽然稳流试验能够对不同结构的气道综合流动性能进行纵向和横向比较。但它却存在以下两方面的缺陷：( 1 )对每一种气道结构必须进行流量系数和涡流比的测量。在气道改进过程中，完全依靠个四u 1 豢油棚麓气道r e c f d ( ：a m 开戋磊：程研究人经验，需进行大量试验，消耗大量的人力、物力，使研制周期增长，且较难得到理想方案：( 2 ) 在稳流试验台上测量的结果都是流动过程的综合量，只能从整体上获得进出口的时问与空间的平均值，只能表征气道的宏观、稳态特性，不能获得气道内具体的气体流动情况以及结构形状尺寸对气流运动的具体影响，并不反映出速度场和压力场等详细的流动特性，对气道的迸一步改进难于提供更多的信息。况且由于试验台及评价方法的差异，难以对气道进行横向比较，而要分析各种不同结构气道的性能，必须了解相应流场的微观信息岫。采用r e ( 逆向工程) c f d ( 数值模拟) c a m ( 数控加工) 气道逆向开发流程进行现有气道的改进优化，不仅可以获得进气道、气门和气缸结构参数以及它们的相对位置对流动宏观特性的影响，而且可以获得其内部流场的大量微观信息，为气道的优化设计和改进提供重要的依据嘲另外，采用c a m 系统可以快速制造出气道芯盒，缩短了气道开发的周期。同传统气道开发方法相比，其具有以下优点：1 、通过逆向工程实现气道数字化模型，根据c f d 计算分析，可以发现气道性能随结构参数变化的规律，从而找出影响气道性能的主要参数，便于对气道结构进行优化设计，找出最佳的结构形状另外，还可以从理论上指导试验工作，减少试验的盲目性；2 、由逆向工程建立的气道数字化模型，利用c a m 系统可以迅速制造出气道芯盒，实现产品复制，从而大大缩短了气道模具的开发时间3 、此外，采用r e ( 逆向工程) c f d ( 数值模拟) c a m ( 数控加工) 气道逆向开发流程，还可以获得实际发动机产品气道的详细信息，快速移植国内外先进的气道设计成果。1 2 国内外研究现状1 2 1 发动机进气道的开发流程图l l 给出了奥地利a v l 公司( a 、ll i s tg i l l b h ) 的气道开发流程“”。目前国内大多数企业和研究机构的气道开发流程“o 为：l 、由气道造型师按照设计要求，如进、排气口位置、气门中心位置、气缸螺栓孔及推杆位置、燃烧室位置、喷油器位置等捏出符合缸盖布置的气道阳模( 即泥芯) ；2 、放入环氧树脂中反扣出上下两块的气道阴模：2广西大掌礓士掌位论文四气门豢泊机造气建i l e c f d c a m 开戋流程研究3 、气道抽气试验；4 、反复上述步骤直到满足气道性能；5 、阴模定型，制造水套沙芯；6 、完成整机匹配试验( 进排气道、喷油嘴、燃烧室三者的优化匹配) 后，气道才能最后定型通过比较国内外气道开发流程的差异，可以发现国外已经将c a d c a m 系统引入气道的开发流程，实现了气道正向开发的数字化设计，便于修改和分析。而国内在这方面与国外的差距还是比较大，仍停留在依靠气道造型师手工捏制，凭经验反复修改的水平。图1 - 1 v l 的气道开发流程f i 9 1 - 1 d e v e l o p m e n t p r o c e o f k t a k e p o r t i n a v l四”豢袖机进气域r e c f l ) c m 开戋稿甩研究1 2 2 基于r e c 加c 棚的模具一体化技术在柴油机进气道设计的应用现状柴油机的进气道几何形状极不规则，由许多复杂的空间自由曲面拼接而成，在电脑里直接建立符合要求的三维数字模型非常困难，成为制约气道数字化设计的一个瓶颈。r e ( 逆向工程) 的出现轻松的解决了这个问题，气道设计师可以先用石膏、油泥等材料迅速地做出一个气道的实物模型，然后利用三维扫描仪器获得实物模型的三维实体c a d 模型，实现对象数字化，从而建立起可编辑的数字化模型。按照模具的数学模型，自动生成加工该模具的数控程序，在数控机床上完成模具的加工“”。这种r e c a d c 心模具一体化方法是国外先进的模具制造方法，其流程如i - 2 所示。图1 2r e c a d c a m 勰田f i g1 - 2p r o c e s so f r f _ , c a d c a m由图1 - 1 给出的奥地利a 、，l 公司( a 、ll i s tg m b h ) 的气道开发流程可以看出，已经把气道的数字化设计纳入了其气道开发流程。而国内在利用r e c a d c 删技术进行柴油机迸捧气道模具设计方面才刚刚起步山西车用发动机研究所的姜莉“”等人运用p r o e软件建立了气道的三维数学模型，利用c a d c 删技术加工制造了6 1 0 5 a 柴油机气道金属热芯盒，并在稳流试验台上进行了验证，结果表明达到了预定的设计目标常柴股份有限公司的江超“”等人利用三坐标测量仪对气道模型表面进行扫描，运用s o l i d w o r k s 软件导入点云数据进行模具设计，然后利用数控机床加工制造出气道模具，使进排气道模具设计和加工实现了数字化。1 2 3c 印的发展及其应用于发动机气道的研究现状随着计算机技术的突飞猛进，c f d ( 计算流体动力学) 技术越来越成熟，现已发展到完全可以分析三维粘性湍流及旋涡运动等复杂问题的程度，在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、工业制造等广泛领域发挥作用“”。这得益于近年4广西大掌礓士掌位论文四气门豢泊机琏气地r e c f d 咖开戋流程研究来湍流模型研究的不断进步。一、湍流以及湍流模型。在多数工程问题中流体的流动往往都属于湍流流动，湍流特性在工程中占有重要的地位蚴在湍流中，流体微团之间处在无规则的随机运动之中。不同尺寸流体微团间的快速互相掺混，引起强烈的动量和熟量的交换和传递。可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动，这些涡流的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡旋主要由流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟，是引起低频脉动的原因；小尺度的涡旋主要是由秸性力所决定，其尺寸可能只有流场尺度的千分之一的量级，是引起高频脉动的原因。大尺度的涡旋破裂后形成小尺度的涡旋，较小尺度的涡旋破裂后形成更小尺度的涡旋。因而在充分发展的紊流区域内，流体涡旋的尺寸可在相当宽的范围内连续变化大尺度的涡旋不断从主流获得能量，通过涡旋间的相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡旋传递最后由于流体粘性的作用，小尺度的涡旋不断消失，机械能就转化( 或称耗散) 为流体的热能。同时，由于边界的作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动由于流体内不同尺度涡旋的随机运动造成了湍流的一个重要特点物理量的脉动。湍流流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随时间与空间发生随机的变化。5广西大掌硕士掌位论文四气门羹袖机进气坦髓c f d c a m 开生躐程研究图卜3 湍流模型( 引自文献【15 】)f i gi - 31 、i f b u i 蚰m o d e l s ，a d a p 酣f r o mr e f 1 5 l图i - 3 给出了三维湍流数值模拟方法及相应的湍流模型“”直接数值模拟( d n s )无需引入任何模型，在湍流尺度的网格尺寸内求解瞬态n a v i e r - s t o k e s 方程的全模拟，是对湍流最根本的模拟方法然而以目前的计算机容量及容量来说，是难以解决的。非直接数值模拟方法不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流作某种程度的近似和简化处理。根据近似和简化方法的不同，非直接数值模拟方法可以分为大涡模拟、统计平均法和r e y n o l d s 平均法其中大涡模拟( l e s ) 是一种压网格尺度模拟，较直接模拟方法的要求稍低，其网格尺寸比湍流尺度大，可以模拟湍流模拟中的细节，但是计算量仍然很大目前使用最广泛的湍流数值模拟方法是r e y n o l d s 平均法，其核心是不直接求解瞬时的n a v i e r s t o k e s 方程，而是想办法求解时均化的r e y n o l d s 方程。这样就避6，1 r 大肖u 曩士掌位论文四 ，1 豢油棚蓝 ，垃r e c 兀) c a m 开童，流程目院免了d n s 方法计算量过大的问题，而同时也可以满足工程实际要求。基于r e y n o l d s 平均法的湍流模型有许多种，其中在工程上应用最普遍的是k - f 双方程模型。而由于k - 占模型假设缸内流动符合粘性牛顿流体各向同性的本构关系式及牛顿流体的湍流粘度概念适应于缸内流动，而这并不符合物理事实，故在用于强旋流、弯曲壁面流动和弯曲流线流动的缸内气流运动时回，会产生一定的失真，很难得到好的结果。为了弥补k - 占模型的缺陷，许多学者提出了对标准k - 占模型的修正方案，不断取得了更好的应用效果。特别是r n gk - f 模型和r e a l i z a b l ek - 占模型，被广泛应用于模拟各种工程实际问题自从1 9 8 6 年y a k h o t 和o r s z a g “”将重整化群( r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p - r n g ) 方法第一次应用到湍流模型后，r n g 方法越来越被广泛地重视。r n g 方法通过尺度变换重新定义方程中的粘性系数、外力和截止波数等参数，使原始ns 方程得到粗粒化即计算网格有所放大，而不影响计算结果的真实性。计算表明，r n gk f 模型对包含喷雾的流动模拟中比k _ 占模型更有效。”1二、c f d 应用于发动机气道的研究现状柴油机进排气道的气体流动是非常复杂的不稳定流动，传统方法主要是通过气道稳流试验来研究气道性能。随着非结构化c f d 计算方法的成熟，对发动机气道到缸内气体流动的进行三维数值模拟研究越来越普遍，并开发出一系列具有气体流动计算、缸内燃油喷雾、燃烧等模块的c f d 商用软件，如美国f l u e n t 公司的f l u e n t 软件、日本西迪阿特的s t a r - c d 软件、奥地利a v l 公司的f i r e 软件以及a n s y s 公司的c f x 软件等。国外在利用c f d 研究发动机进排气流动方面已经基本掌握了有关的关键技术，并达到了较高的水平乜1 1 j e s t l sb e n a j e s m 等人利用s t a r - c d 软件计算了四气门、串联、可变涡流进气系统瞬态和稳态的流动特性，并进行了l d a 稳流试验的验证；日本n i s s a n公司的j u n - i c h ik a w a s h i m a 等人嘲利用s t a r - c d 软件，详细讨论了四气门高速直喷柴油机( h s d i ) 不同切向、螺旋进气道组合的流动特性，并在稳流试验台上进行了验证；法国e n g i n e e r i n gs y s t e mi n t e r n a t i o n a l 的工程师应用基于a l e 方法的p a m - f l u i d 软件，对进气道进行了稳态和瞬态涡流的模拟计算；美国c a t e r p i l l a r 公司及c l e m s o n 大学的研究人员嘲用稳流试验的结果作为边界条件，利用c f d 软件预测了四气门进气系统的流动损失。随着商用c f d 软件的普及，虽然国内对柴油机气道到缸内气体流动的数值模拟研究起步较晚，但近年来却发展迅速，发表了大量的论文和学位论文。清华大学的王志等人以4 b t a a 柴油机进气道为研究对象，使用a v lf i r e 软件完成了气道稳流试验台中气道一7四气门抽机避气建r e c f d c a m 开生流程研究气缸流动的三维数值模拟计算，气道性能评价参数( 流量系数和气流扭矩) 的流动计算结果与气道试验结果吻合良好嘲；通过流场分析，找到了气道不合理的部位，并应用c a d c 枷c f d 集成的方法对气道进行了优化，改进的气道与发动机匹配后，该柴油机的排放己达欧i i 标准啪。武汉理工大学的常思勤硼：踟等人对螺旋进气道进行了参数化设计的研究，并对螺旋进气道进行了c f d 模拟，讨论了螺旋进气道性能的评价方法。吉林大学的孙济美等人发展了一种可用于内燃机进气门处流场计算的紊流模型，并用来计算内燃机进气门流场，用热线风速仪进行了测量，结果发现，模拟修正后使气道内流场的预测精度提高了很多。北京理工大学的王樵等人嘲利用f l u e n t 软件求得了4 9 1 q e 电控汽油机的进气门流量系数，并与试验数据进行了对比，分析了误差的产生原因。华中科技大学的杨玟等人队伽介绍了螺旋进气道稳流试验条件下三维流场的模拟研究，计算了涡流比和流量系数，分析了气道形状、气门偏置对流场特征和涡流比的影响。吉林大学的王瑜芳叭1 采用逆向的方法获得气道的三维几何模型，利用a 1 ，lf i r e 软件计算了y c 6 1 0 8 z q 型柴油机螺旋进气道的流量系数，并给出了试验验证的结果；同时应用c f d的计算结果，讨论了不同气门座圈锥角和气道偏置对流量系数的影响大连理工大学的白慧星嘲针对2 1 0 0 柴油机切向进气道，利用f l u e n t 软件计算了流量系数和涡流比，并用a v l 方法进行了试验验证，结果比较令人信服，对于下一步的迸气道性能模拟计算打下了坚实的基础重庆大学的刘家利啪1 利用f l u e n t 软件，对儿4 7 5 四气门汽油机的气道进行了模拟计算，并将计算的流量系数与试验值进行了对比、分析。南京航空航天大学的顾雄飞咖分析了u g o p e ng r i p 环境下，气道建模的几个关键参数，并利用f l u e n t软件模拟了某机型螺旋进气道的流量系数。1 3 本课题的主要工作及意义本文按玉柴机器股份有限公司的要求，综述了国内外柴油机进气道的开发研究情况，确定了开展四气门柴油机进气道逆向设计开发流程的研究内容；采用逆向工程的方法建立了y c j 6 0 0 0 柴油机进气道三维几何模型：利用a v lf i r e 软件对螺旋切向组合双进气道进行了不同气门升程下气道一气f l - 气缸的三维c f d 数值模拟；通过数控机加工制作出了该进气道的气道芯盒；按缸盖稳流试验所得的r i c a r d o 和f e v 评价参数分别验证了c f d 计算结果和气道芯盒试验结果，三者吻合良好，验证了r e c f d c 删气道开发流程的可行性。图卜4 给出了本文所验证的气道逆向开发流程。8广西大掌硪士掌位论文四气门纂油机避气建r e c f d c 枷开鬟漶程研究实际产品气道1 l3 d 外型扫描i3 d 实体造型ijic f d 数值模拟c a m 加工芯盒困卜4r e c f d c 棚气道逆向开发流程f - g1 4r m s ed e v e l o p m e mp r o c e s so f l m a k cp o r tb yr e c f d c a m从国内外研究现状来看，比较少见完整走完r e c f d c 删气道逆向开发流程并按工程上使用的评价参数给出流量系数和涡流比的验证结果。另外，本文通过验证r e c f d c 枷气道逆向开发流程的可行性，还为最终实现参数化c a d 设计c f d c 删气道正向设计流程奠定了基础。9四气门簟妯机避气道r e c f d c 埘开冀流程研究第二章应用旺建立柴油机进气道的三维实体造型2 1 逆向工程简介逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 是2 0 世纪9 0 年代才发展起来的，一种先进的产品设计过程。逆向工程是先利用一定的测量手段对实物产品进行测量，然后把测量所得的数据通过三维几何建模方法重构c a d 模型，并在此基础上进行改进设计及生产。特别是对于具有复杂曲面的零件和产品，可以通过三维扫描的方式自动生成三维实体，大大缩短了设计周期，降低了开发成本。对于我国的内燃机行业而言，由于许多零部件都是直接从国外进口，没有相关设计资料，也就无法消化吸收国外先进的设计经验，逆向工程的应用就显得尤为重要。利用逆向工程技术，我们可以把国外先进的设计借鉴或移植到自己的产品上，从而实现零件的国产化。如图2 - l 给出了逆向工程的一般流程。l扫描模型的建立i三维外型的扫描ll扫描数据预处理il曲面拟合il三维实体建模图2 - 1 逆向工程的般流程f i g2 - 1g e n e r a lp r o c e s so f r e v e r s ee n 蛳n i n g对于要扫描的模型，可以是设计师制作的石膏模或者是塑料模，也可以是被用来作参考的产品实体或零部件。三维扫描的方法分为接触式扫描方法和非接触式扫描方法三坐标测量仪( c 删) 是逆向工程中应用最广泛的接触式测量方法，它利用三维力位移传感器实现测头在工件表面快速移动，记录测头坐标值。其优点是不受光照和物件表面颜色的影响，对物体边界也能产生准确的测量结果，缺点是探测杆的补偿和刚性存在系统误差，对于曲率变化l o，酉大掌磺士尊啦鬣叼t口气门囊，袖相置u 电r e c f d i c 删开j ：潼程研，巴比较大的部位，可能会忽略掉。而采用非接触的三维激光扫描仪可以有效的克服机械接触式测量的缺点，而且对工件表面的强度没有要求，更适合石膏、塑料、硅胶等材料模型的测量。扫描所得来的数据，一般都要经过数据的预处理才能被用来进行三维c a d 实体建模。数据处理包括消除异常数据、数据压缩以及相应数据格式的转换等。最终三维实体的建立一般都遵循：数据点一曲线一曲面拟合一构建实体这样一个过程。先连接特征线点和剖面点，形成工件的特征线和轮廓线：然后在现有曲线的基础上进行曲面拟合，要特别注意面与面之间的光顺性：最后进行曲面的缝合，最终形成三维c a d 实体造型。这往往需要交叉进行，比如在构造曲面的过程中有时需要再加连一些线条，连线和构面交替进行侧专业的逆向工程软件有s u r f a c e r 、i c e m 、c o p y c a d 、c i m a t r o n 等。此外，一些大型的c a d 软件如u g 和e r o e 等也为逆向工程提供设计模块。由于u g 具有丰富的曲线曲面构造和编辑功能，逆向所形成的面的质量要优于很多专业的逆向工程软件，所以本文采用u g 软件来完成进气道的逆向实体建模嘲1 2 2 利用r e 技术实现进气道实体造型首先，为了获得进气道外形的三维数据，采用非接触的三维测量设备扫描了y c j 6 0 0 0柴油机进气道的铸造沙芯，数据点云如图2 - 2 所示四气门鬃油机琏气琏i i e c f d c 栅开生流程研究图2 - 2 进气遣沙芯扫描点云图f i g2 - 2p o i n t sc l o u do f i n t a k ep o r tc o r e然后，利用u g 软件构造和编辑曲线和曲面，从而完成进气道的三维实体建模，如图2 3 所示( c )图2 - 3 进气道三维实体模型f i g2 - 33 ds o l i dm o d e lo f i n t a k ep o r t最后，根据进气道和气缸套的相对位置建立气缸套，直径为该机型的缸径1 0 5 r a m ：1 2四 u 1 囊 泊和u t u tr e c f d c a m 开童癯程研究分别建立该机型的两进气门和气门座圈。另外，为了使计算时气道进口的流动更加稳定，在气道进口处加一个稳压箱，得到最终c f d 计算所使用的模型，见图2 - 4 。图2 - 4 进气i 毫- 进气i - 1 - 气缸套三维实体模型f i g2 - 4 3 ds o l i dm o d e lo f i n t a k ep o r t - v a l v e - c y l i n d e r四气门鬃油机避气垃r e c f d c 删开冀流程研究第三章应用c f d 对柴油机进气道进行数值模拟3 1 概述本章介绍进气道三维c f d 的数值模型和完整的c f d 计算流程，并对计算结果进行了分析。首先，从计算流体力学的角度，结合a v lf i r e 软件，介绍了流动控制方程、湍流模型和计算边界条件然后介绍了进气道三维数值模拟的整个过程，从模型准备、网格划分、定义边界条件到方程的离散及求解。整个过程。由于动量矩流率不是c f d 的软件的标准输出参数，因此本章介绍了在a v lf i r e 中如何获得该参数。最后，对计算数据和计算流场进行了分析3 2c f d 计算的数值模型3 2 1 流动控制方程无论多么复杂的流动问题，均受三个最基本的物理规律支配，即质量守恒、动量守恒和能量守恒删发动机内部的气体流动也不例外三大守恒方程再加上气体的状态方程，就构成了完整的气体流动控制方程一、质量守恒方程卜图3 - 1 三雏直角坐标系：爰微元脾( 引自文献【1 5 】)f i g3 - 1c a r t e s i o nc o o r d i n a t es y s t e mo f i n f i n i t e s i m a lf l u i dm o d e l ，a d a p t e df r o mr e f 【1 5 】对图3 一l 中固定于笛卡儿坐标系( c a r t e s i a nc o o r d i n a t es y s t e m ) 中的微元体，质量守恒定律可以表达为：1 4四气门蓁油机琏气遣r e c f d c 枷开生漶覆研究早位时i 司内微兀谇甲流体质量日可瑁加= 同一时删恻黼内流人该微兀俸明净质量这样可以得出质量守恒方程( 又称连续性方程，c o n t i n u i t ye q u a t i o n ) 为“”：挈+ 掣+ 掣+ a ( p ，w ) ：o( 3 1 )a氛a l ，勿上式中，第2 、3 、4 项是质量流密度( 单位时间内通过单位面积的流体质量) 的散度，可用矢量形式写为：鲁+ 州厕= ”( 3 - 2 )二、动量守恒方程对图3 _ l 中的微元体分别在三个方向上应用牛顿第二定律在流体流动中的表达形式：7 微元体中流体动量的增加率= 作用在微元体上各种力之和由于本文讨论的均为牛顿流体，故引入s t o k e s 在1 8 4 5 年得到的粘性切应力公式：k = 脚( _ ) + 和罢( 3 - 3 a )= 删吼2 言( 3 - 3 b )毛= 侧乃+ 弘詈( 3 - 3 c )匿+ 期t 删，k 4 尝+ 割分枵+ 期佟3 0其中，s t o k e s 假设z = 一詈( 3 - 4 )z = 一三则三个速度分量的动量方程( 即n a v i e r - s t o k e s 方程) 如下睁叼；掣胁_ ) = d i v ( g r a d u ) + 邑一生o x( 3 5 a )广西大掌硬士掌位论文四气门豢泊机避气道l c e c f i ) c l i 开毫漶程研究t a ( p v ) + d v ( p ，r 3 = d i v ( g r a d v ) + 母一等( 3 - 5 b )丁a ( p w ) + 硪棚= j u d i v ( g r a d w ) + 一鲁( 3 - 5 c )其中，鼠，为广义源项，其表达式分别为：墨= 丢( 罢) + 号( 罢 + 丢( 芸) + 昙( 脑v 矿)c 如a ，鼠= 丢( 豺号( 豺丢( 豺号( 脚)c 撕，& = 昙( 考) + 导( 鲁) + 丢( 期+ 委( 五咖矿)。击c ，式( 3 - 5 ) 是三维非稳态n a v i e r s t o k e s 方程，无论对层流还是湍流均适用。但是对于湍流，如果直接求解，需要采用对计算机内存与速度要求很高的直接模拟方法( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ) ，目前无法应用于t 程计算。因此，工程中广泛采用的是对非稳态项做时间平均的方程，而且还需要补充其他能反映湍流特性的方程也就是引入湍流模型，这将在3 2 2 节中介绍。三、能量守恒方程对图3 - 1 所示的微元体应用能量守恒定律：微元体内热力学能的增加率= 进入微元体的净热流量+ 体积力与表面力对微元体做的功同时引入傅立叶定律( f o u r i e r sl a w ) 【删：吼一a 罢，以= 以等，g = 一a 署( 3 - 7 )则用比焓 及温度r 表示的能量方程为：堕盟+ 堕型+ 盟型+ o ( p w h )西出砂出(3-8)= 一p 硪v 矿+ 讲 ，( a g 删d + o + 墨其中，最为流体的内热源，中为由于粘性作用机械能转换为热能的部分，称为耗散函数( d i s s i p a t i o nf u n c t i o n ) ，其表达式如下：1 6四u - 1 铀棚o t 气，琏r e c f d c a w 开鬟荫馒研究。2 t 2 ( 尝) 2 + ( 考 2 + ( 警) 2 + ( 考+ 妻 2 + ( 鲁+ 尝) 2。3 9 ，+ 睁舒+ 脚式( 3 8 ) 中，讲y 矿为表面力对流体微元体所做的功，通常可以忽略；对理想气体，h可取为m ：h = 巳丁( 3 - 1 0 )进一步取c ，为常数，并把耗散函数。纳入到源项母中( 昌= 最+ o ) ，则可以得到整理后的能量守恒方程为【“1 ；挈+ 咖( 历) = 扔 毒影婀 + 墨佟四、通用控制方程通过上述对控制方程的讨论，可以发现我们所感兴趣的因变量( “、，、w 、r 等)似乎都服从一个通用的守恒原理如果用妒表示通用因变量，通用控制方程可以表示为【h 1 ：鬻+ 掣2 唾掣+ 皇川2 ) 2热、质传递，流体流动，湍流以及其相关现象的所有微分方程均可看成是通用控制方程的一个特殊情况。因此，我们关心的仅仅是方程( 3 一1 2 ) 的数值解。这样做的好处不仅可以节省时间，而且可以编制求解通用控制方程的通用程序。使用时，只需针对不同的尹，给出合适的表达式，以及相应的初始条件和边界条件。目前广泛使用的c f d 商业软件( 如f l u e n t 、s t a r - c d 、a v lf i r e 等) ，都是按照上述概念来编制的五、状态方程式( 3 - 2 ) 、( 3 - 5 a ) 、( 3 - 5 b ) 、( 3 - 5 c ) 及( 3 - 1 1 ) 中共包含六个未知量：、v 、w 、p 、r 和p ，因此还需补充一个联系p ：r 和p 的状态方程，整个方程组才能封闭：p = f ( p ，t )( 3 - 1 3 )对理想气体，有【3 。1 ：广西大掌硕士掌位论文四气门纂抽机避气道i i e c f d c 柚开量漶覆研究3 2 2 湍流模型p = p r t( 3 - 1 4 )在绪论中已经介绍过了，常用的湍流模型有亚网格尺度模型、单方程、卜s 双方程模型、r n 6k - 占模型和雷诺应力模型( r s u ) 等。其中刖gk - 占模型在工程应用中最广泛，本文即采用此种模型进行计算发动机进气道内一般是具有高雷诺数的湍流，它的求解是联立时均流动质量、动量守恒方程和湍动能k 及其耗散率占方程进行的。按照r e y n o l d s 平均法，任一变量的时间平均值定义为：= 古一( r ) 孟( 3 - 1 5 )其中时间间隔缸相对于湍流的随机脉动周期而言足够地大，但相对于流场的各种时均量的缓慢变化周期来说，则应足够小时均值随时间而异的时均湍流称为非稳态湍流。时均值不随时间而异的时均湍流称为准稳态湍流( 简称稳态湍流) 由于本文研究的是稳态湍流，下面将对稳态湍流进行详细说明。物理量的瞬时值妒、时均值妒及脉动值。之间有下面的关系：= + 。( 3 - 1 6 )设矿及，是两个瞬时值，及为相应的脉动值，则按上述两式，有下列基本关系成立：= 0 ；妒= 妒；妒+ 。= c f = 辱 j 夸f = 牵l = 专l ；牵f = 夺f 七巾f 一考= 考；警= 丝o t ；骞= 寄；敏| 瓠；j 文j 敏1 醒二娑：0 ；尝：o( 3 - 1 7 )不定常、非周期性的且三个速度分量随质量、动量和能量而随机波动，这种流动就是湍流。可以把瞬时速度分解为平均部分和波动部分：k ( f ) = 巧+ ( f )( 3 - 1 8 )压力、温度、物质浓度可以用相同的方式表示。将三个坐标方向的瞬时速度表示成时均1 8四气门囊油机避气垃r e c f d c 删开鬟漶覆研究值与脉动值之和，并带入连续性方程、动量方程和能量方程，利用上面的规则做时均运算，推导出时均方程。一次项在时均前后的形式保持不变，而二次项( 即乘积项) 在时均化后产生包含脉动值的附加项。这些附加项代表了由湍流脉动引起的通量转移应力，热流密度等。k - c 模型包括k 和f 的输运方程。k 方程为：p 筹2 壹竺，差2 嗲竺叶罨一 割p 面邓百叩n 瓦2 避y 以叶i 叫l 若l。，! 印! ，土二土。，矗( 3 - 1 9 )+ * 考一厩一确)f 一，式中，国表示湍动能，其他项均有相应的物理含义：工是随时间的本地变化；c 是对流输运项；p 是k 的产物( 湍流) ，当a n ，奶 o 时，u p j o ，因此对于大多数流动，p 0 ；g 是k 基于体积力的产物；g 是由于粘性作用的k 扩散( 占总是大于零) ；d 是k的扩散输运( 分别是粘性项、速度脉动项和压力脉动项) 在k _ 占模型中，占是由占方程提供的对于高雷诺数流动，粘性扩散可以忽略( 近壁处除外) 为了封闭k 方程，需要对其他项引入相应的模型。这样，高雷诺数k - 占模型( 即标准k - 占模型)