基于CAD∕CFD发动机气道的设计.pdf

第4 1 卷第2 期 2 0 1 2 年4 月 小型内燃机与瘁托车 S M A L LI N T E R N A LC O M B U S T I O NE N G I N EA N DM O T O R C Y C L E V 0 1 4 1N o 2 A p r 2 0 1 2 基于C A D C F D 发动机气道的设计 刘鹏飞徐春龙檀丽宏 中国北方发动机研究所山西大同0 3 7 0 3 6 摘要 以应用于实际设计为目的 研究了三维造型设计方法在发动机螺旋进气道设计中的应用 实现 了P R O E 设计以及高精度的流动数值模拟 为气道的设计与改进提供了高效实用的研究手段 讨论了 螺旋气道三维建模的基本过程 研究了网格尺寸对计算结果收敛性的影响 最后 以气道试验验证计算 结果的准确性 三维设计表明 现代设计方法的应用有益于克服传统设计中的盲目性与局限性 提高产 品的自主开发能力与设计制造质量 关键词 计算机辅助设计螺旋进气道三维流动模拟三维造型设计 中图分类号 T K 4 1 3 4 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 6 3 0 2 0 1 2J 0 2 0 0 4 6 0 5 T h r e e D im e n s io n a lS im u l a t io nf o rI n t a k e P o r to fD ie s e lE n g in e L inP e n g f e i X uC h u n l o n g T a nL ih o n g C h in aN o r t hE n g in eR e s e a r c hI n s t it u t e D a t o n g S h a n x i 0 3 7 0 3 6 C h in a A b s t r a c t I no r d e rt ob eu s e dinp r a c t ic a ld e s ig n a p p l ic a t io no f3 Dm o d e l in gm e t h o df o re n g in e h e l ic a lin t a k ep o r t siss t u d ie d P R O Ed e s ig na n dp r e c is en u m e r ic a lf l o ws im u l a t io na l er e a l iz e da n dt h ee f f e c t iv ea n d p r a c t ic a lr e s e a r c ht o o l s f o rd e s ig na n dim p r o v e m e n to ft h ep o r t sa r ep r o v id e d P r o c e s s e so ft h r e e d im e n s io n a l d e s ig nf o rh e l ic a lin t a k ep o r t sa r ed is c u s s e d in f l u e n c eo nc o n v e r g e n c eo fC F Ds im u l a t io nr e s u l tf o rg d d in g s iz eiss t u d ie d F in a l l y C F Ds im u l a t io nisv a l id a t e db yf l o wt e s tr e s u l t s 3 Dm o d e l in gs h o w st h a ta p p l ic a t io n o fm o d e r nd e s ig nm e t h o disf a v o r a b l ef o ro v e r c o m in gt h eb h n d n e s sa n dl im itint r a d it io n a ld e s ig n e n h a n c in g p r o d u c tin d e p e n d e n td e v e l o p m e n ta b il it ya n dim p r o v in gq u a l it yo fd e s ig na n dm a n u f a c t u r e K e y w o r d s C A D H e l ic a lin t a k ep o r t s 3 Df l o ws im u l a t io n 3 Dm o d e l in g 引言 螺旋进气道是直喷式柴油机的重要零部件之一 它的几何形状对提高直喷式柴油机的充气效率 改善 燃烧性能和降低排放指标具有十分重要的影响 传统 的气道设计和模具制造是先用手工塑造一气道模型 将该模型在稳流试验台上进行气动试验 边试边修 经 反复修改调整后 方可取得较理想的气道模型 这项 工作所消耗的时间长 费用也大 制约了生产效率的 提高 本文主要论述用C A D 软件构造螺旋进气道三维 作者简介 刘鹏飞 1 9 8 3 一 男 硕士 研究方向为发动机燃烧技术开发 实体模型流程 并用C F D 软件在计算机中进行流动模 拟计算 同时对计算网格进行了修正 最后用试验结果 进行了验证 结果表明 通过C A D C F D 技术进行柴油 机螺旋进气道与切向进气道的设计 可以有效的克服 传统方法耗时长 优化困难的缺点 1 双进气道C A D 某发动机进气道三维模型如图l 示 建模过程如下 I 进气口造型 进气口外形为一个四边倒角的矩形 如图2 所示 第2 期 刘鹏飞等 基于C A D C F D 发动机气道的设计 图1 气遭三维模型 知道矩形的两个边长 四个圆角和矩形的中心坐标 可 以唯一确定进气道口 矩形的边长 四边的倒角均可 定义为P R O E 中表达式的变量 用户需要修改螺旋 进气道的进气I E I 形状时 不需要删除原来的图形重新 建模 只要更改相应的变量参数就可以得到修改的结 果 P R O E 中建模如图3 所示 f 厂h 山 I 图2 进气口截面线 生i3P R O E 中进气口截面造型 2 最小截面造型 最小截面的形状如图4 所示 可以用顺次连接的 圆弧和线段表示 由于最小截面处在气道的导向段向螺旋段过渡的 地方 所以他的设计要考虑到螺旋进气道的整体形状 如右边的两段圆弧 1 处的圆弧要向螺旋段凹进去的 部分过渡 为方便光滑连接 需要设计成一段凹弧 2 处的圆弧要向螺旋段凸出的部分过渡 需要设计成一 段凸弧 P R O E 中建模如图5 所示 2 图4 最小截面造型图5P R O E 中最小截面造型 3 引导管造型 引导管的轮廓线可以用样条线来表示 在空问选 取所设计的关键点 用这些点连成样条线 在P R O E E 软件中 修改样条线卜分方便 可以用鼠标拖拽的 方法改变点的位置 由此得到设计者想要的任意形状 轮廓样条线的设计如图6 所示 P R O E 中建模如图7 所示 一 图6 引导管轮廓线图 图7P R O E 中引导管轮廓线造型 4 导向段表面的建立 有r 螺旋进气道的进气1 2 I 形状 最小截面形状 引 导管的轮廓形状 就可以用扫描混合完成导向段表面 模型的建市 P R O E 中建模如图8 所示 参 图8P R O E 中导向段表面造型 5 螺旋段截面线的造型 螺旋段的截面线有两类 一类在螺旋段的开始阶 段 另一类在螺旋段的尾部 分别如图9 所示 a 螺旋殷起始截面b 螺旋段终止截面 图9 螺旋段截面线 螺旋段截面线也可以理解为一系列直线段和圆 弧的连接 造型完成后可以把各段曲线连接起来 形 小型内燃机与摩托车第4 l 卷 成一条样条线 光给定首尾两条截面线难以设计出满意的螺旋段 外形 从上面两个图中的截面线形状不难看出它们在 外形上的差别比较大 从起始截面线的形状变形到终 止截面线的形状 光靠螺旋段的外形轮廓线来控制螺 旋段的外形是不够的 一般还要设计几条中间截面的 截面线来辅助螺旋段曲面的建立 它的形状和起始截 面线的形状相似 最大高度根据螺旋坡角和截面所处 的位置决定 具体尺寸则由设计者自己控制 本研究 工作在实际设计中 给定螺旋段六个个截面的截面曲 线 再加上螺旋段的外形轮廓线就可以建立比较满意 的螺旋段外形 如果再增加截面线的数量 不会给造 型带来太多好处 反而会减小设计自由度 因此认为给 定六条截面线和轮廓线的几何参数用于螺旋段的造型 设计是比较适合的 6 螺旋段轮廓线的造型 螺旋段的轮廓线可以用一条螺旋线来表示 在X Y 平面上 可以认为是一段圆弧 圆弧的角度由螺旋 包角决定 在Z 方向上 可以认为是线性减小 减小的 程度由螺旋坡角确定 7 螺旋段的造型 根据螺旋段截面线和螺旋轮廓线的形状 可以做 出螺旋段的外形 P R O E 中建模如图1 0 所示 图1 0P R O E 中螺旋段造型 2 气道C F D 计算 为了获得新设计气道的涡流比和流通系数 通过 F I R E 软件对此气道进行了计算 2 1 计算模型的建立 为了使计算结果与试验结果具有可比性 应在试 验台条件下建立模型 在稳流试验台上 模拟气缸的 长度一般取2 5 D 将C A D 模型通过图形转换文件 s n 导人到F I R E 中 采用F I R E 的F A M E 技术进行网格划分处理 网格 类型是包含四面体和六面体的混合型 C F D 流场计 算的时间和网格数有密切关系 因此本小节研究了由 网格密度和数量引起的C F D 流场计算的精度和耗时 以气门升程5 m m 为例 选择3 个不同系列的网格 单元进行网格划分 保证模型质量前提下 对3 种不同 网格划分方案的模型进行了数值模拟 图1 1 为导人F I R E 后基本的模型 图1 1 气道三维仿真模型 2 2 计算边界条件设定 1 固定壁面边界 壁面为绝热 无滑移 无渗透采用湍流壁面函数对 边界层进行处理 温度壁面采用定温条件 即为2 9 3 K 2 进出口边界 采用给定压差5 K P a 进口为大气压力1 0 0 0 0 0 P a 出口为气道出口压力9 5 0 0 0 P a 2 3 计算网格的修正 1 网格划分方案1 网格最大边长设定为0 0 0 8 m 最小边长设定为 0 0 0 4 m 各部分细化如表1 所示 表l 方案1 气道两格细化部位爰细化尺寸 细化 部位 气门座圈 气门头气门杆气道表面 细化设定 0 0 0 l0 0 0 0 50 10 0 0 0 5 l 值 m 浅绿色 粉色 朱红色 黄色 细化部分在模型中如图1 2 所示 图1 2 模型细化 得到数据如表2 所示 第2 期 刘鹏飞等 基于C A D C F D 发动机气道的设计 表2 方案l 涡流比及流通系数计算时间 模型嗍计算流计算涡耗B e 网格系列 格总数 通系数 流比h 1 5 6 万 04 6 6 0 8 8 6 727 丑 蝗 墨 拓 蠕 固 摧 o2 o 4 0 簇o 8 0 0 0o b 流通系数收敛曲线 图1 3 涡流比及流通系数收敛曲线 由图1 3 可以看到 涡流比有比较好的收敛 为了 考察气门头部的细化对计算结果的影响 下一方案决 定对气门头部再细化 细化值小于气门的03 m m 小 倒角 2 网格划分方案2 网格最大边长设定为0 0 0 8 m 最小边长设定为 00 0 4 m 各部分细化如表3 所示 表3 方案2 气道网格细化部位殛细化尺寸 气f 气门气门 气道 细化部位 座圈头杆 表面 细化设 00 0 l0o 口0 2 500 0 l00 0 0 5 定值 m 浅绿色 粉色 朱红色 黄色 细化部分在模型中如图1 4 所示 得到数据如裘4 所示 表4 方案2 涡流比殛流通系数计算时间 模型网 计算流 计算涡耗时 网格系列 格总数 通系数流比 h 2 8 0 万 04 6 3 08 0 5 436 2 0o 4 0 尘长6 0 o8 0o h 流通系数收敛曲线 图1 5 涡流比及流通系数收敛曲线 m 罔1 5 可以看到 涡流比收敛的比1 方案快 计 算精度应该更高 3 网格划分方案3 为了比较在整体网格变动的情况下对计算精度是 否会有影响 本方案决定采用如下网格划分 网格最大边长设定为00 l m 最小边长设定为 0 0 0 5 m 其它条件和方案2 一致 得到数据如表5 所示 表5 方案3 涡流比厦流通系数计算时间 i 模型网格计算流通汁算涡 耗时 总数系数流比h 3 4 8n04 6 3 6 07 6 6 625 由图1 6 可以看出 涡流比在收敛后期出现r 一个 小幅波动 直观上我们可以看到 此方案的收敛性不如 5 0小型内燃机与摩托车第4 1 卷 O o 2 墨 壤一0 4 赠 o 6 0 8 O 5 6 0 4 8 赫 晋0 4 鹾 0 3 2 o2 0 o 4 0 o6 0 o8 0 ol o o o 步长 02 0 o4 0 o6 0 o8 0 ol o o o 步长 b 流通系数收敛曲线 图1 6 涡流比及流通系数收敛曲线 2 方案 通过对以上3 种网格划分方案的分析 我们可以 初步得出以下结论 网格划分对流通系数几乎没有影响 网格划分中 对于气门头部的细化非常重要 并 且细化的值最好要小于气门头部的小倒角值 从上述3 种方案可以看到 在气道的稳态数值 模拟中 网格划分方式对计算出的涡流比影响很大 从 一0 9 到一0 7 7 之间 如果再改变网格划分方式 计算 出的涡流比可能还会超出这个范围 因此 在以后的计 算过程中 对于网格无关性的讨论是气道稳态数值计 算过程的非常重要的一个过程 但是从目前所查的文 献来看 数值模拟计算出的涡流比和试验测得的涡流 比误差通常都在5 1 2 之间 个别情况下 最大误差为4 5 3 试验验证 计算出各种情况下的流通系数和涡流比与测量值 的对比见表6 由表6 可知 计算结果与测量结果吻合较好 平均 流通系数及平均涡流比的偏差小于5 由于一般气 道试验台测量误差约为5 所以从计算结果来看 可 以应用C F D 计算来替代大部分稳流试验工作 加速气 道的研制 4 结束语 本文基于C A D C F D 对发动机四气门气道进行设 计 分析了螺旋气道三维设计的基本流程 研究了网格 尺寸对计算结果收敛性的影响 计算了不同气门升程 下气道的性能评价参数 计算结果与测量结果吻合较 好 表明 利用计算机技术进行设计能够使设计工作 变得方便快捷 是现代