cfd技术在柴油机发电机组中的应用

cfd技术在柴油机发电机组中的应用

cfd（compositalfluiddynamis）是一种基于计算机技术的数值计算工具，用于解决流量流动和传热问题。由于cfd可以正确地表达流量流动的细节，因此可以从流程分析中发现问题，优化设计方案，提高整体设计方案的质量。为了通过这项工作，我们讨论了fd技术在机械设计中的应用。1气罐盖设计气缸盖设计是内燃机设计的重要组成部分.1.1综合性的数值模拟计算模型气缸盖的各个组成部分都有着自己严格的设计要求,在设计时要协调好各个部分的空间布置.所以,三维建模是设计计算的前提.温度场是热负荷评定与计算的基础.冷却水腔内的流场与气缸盖温度场、应力场相耦合,气道内的流场也影响到气缸盖温度场,进而影响到热负荷.因此,模拟计算要围绕冷却水腔与气道内的流场与温度场以及气缸盖的温度场、应力与应变等方面来进行.设计目标是使各流场流量和压力分布合理、减少冷却水腔内微涡和流动死区并提高气缸盖结构疲劳强度.为缩短暖机时间,冷却水腔容积应在满足冷却要求的前提下尽可能小.气缸盖承受载荷的复杂性,使得其边界条件更为复杂.因此,需要从整体与系统的观点出发,实现综合性的数值模拟计算以反映多种因素的相互影响与相互作用.其中的关键技术主要在于实现较高精度的流动与传热数值模拟,精确描述复杂的几何形状与准确确定复杂的边界条件.1.2涡流比与曲面造型气道的设计包括CAD设计、CFD计算与分析和气道试验等等.气道的质量指标主要有流动阻力和涡流强度.所以设计时要保证气道表面光顺,使气流沿程流阻最小;同时还要必须满足气流进入缸内能形成与燃烧系统相匹配的涡流比,即在满足给定涡流强度条件下,使气道达到最好的流通特性.设计时首先根据缸盖的结构安排好气道的相对位置.之后,对气道的大致形状进行参数化设计,对气道外形进行三维曲面造型设计.可将所有的曲面用非均匀有理B样条(NURBS)方法生成,该方法能够适应复杂的气道曲面结构.计算时可将空气视为可压缩理想气体,采用标准k—ε模型.边界处理时可给定进出口的压力、温度、湍流度和当量水力直径;壁面温度采用绝热边界条件,壁面速度采用无滑移边界条件,对边界层应用湍流壁面函数.划分网格时,气门座口部区域由于流动敏感不能简化,应将此处网格加密.通过CFD软件对气道内流场的计算与分析对气道进行结构优化,然后通过试验来验证.2重点网格划分气门处的流动涉及到涡流、湍流等复杂的三维流动,对进排气道及缸内的气体运动都有着影响.对气门处的气体流动进行数值模拟,可以为气门及其凸轮机构的结构设计提供依据,以保证在满足动力学要求时尽可能增大气门开启的时面值;通过比较不同的气门开启、关闭角下的计算结果,可以对配气机构的配气正时进行优化,确定进气门、排气门正时及气门重叠角.计算时可将气门附近流场简化为二维轴对称流动,计算方法可采用任意拉格朗日——欧拉法(ALE)或是采用时空守恒元和解元算法(CE/SE).对于气门的网格划分可做如下处理,即气门关闭时,随着气门周围的网格关系变化,此时通常在气门周围生成非贴体网格,再根据气门位置、形状来识别非流动区域.另一种方法可采用颗粒模拟技术,即对气门不单独生成网格,而是用大量微小颗粒来模拟气门,其模拟气门的基本思想是:颗粒点按气门规律运动,在颗粒点占据的网格单元中,根据两相流动的原理,其中的气体运动停止.进气门处的边界条件可按照等熵假设来处理,对亚临界状态的进气过程,假定从管口到喉口为绝热等熵流,从喉口到缸内为等压流,由能量方程式、连续方程、等熵条件化简后得到进气门处的边界条件,即边界方程;排气门处的边界条件按照不等熵理论来处理,对于排气门端的不同流向,边界条件的处理方法略有不同.3优化设计过程进排气系统的设计可以通过建立计算机集成开发环境来实现,如图1所示.进排气歧管的设计包括歧管与内燃机的匹配、歧管内部流场分析以及生成可直接进行加工的CAD造型.其流程一般先根据已有的内燃机参数及测量数据建立一维工作过程模型,再用发动机台架试验对模型进行验证和完善,并利用已获得验证的模型,对歧管的长度、直径等参数进行匹配优化设计.然后确定歧管宏观结构参数,用CFD软件从微观角度对内部流场进行详细分析,反复修改流场模型直到满足最佳的流动阻力和流动均匀性为止.经过上述设计之后,得到一个可直接加工的CAD零件模型,利用快速原型制造、模具生成等方法进行加工,最后到试验台进行试验验证,进一步调整模型,直到满足设计要求.对进排气系统气流模拟的传统数值方法有容积法、特征线法、有限容积法等,它们都不同程度地存在着计算精度不高、容易出现数值耗散和频散、对管径变化较大的区域边界处理较困难且存在较大的离散误差、计算效率偏低等问题.时空守恒元和解元法,使用方便、适应性强,计算精度和计算效率较高,对计算EGR系统多组分混合流动、处理激波及其相互干扰等不连续等问题有明显的优势.确保流量在时间与空间、局部与全局严格守恒是流动过程数值计算方法研究近来的发展趋势.一维模型和三维模型结合使用,既提高计算精度,又节省计算时间,是内燃机进排气系统流动过程模拟计算未来发展的方向.4cfd模型的建立内燃机的缸内气体流动是典型的湍流运动,内燃机工作过程CFD即是在湍流流动CFD的基础上,增加了对内燃机工作过程所特有的喷雾、蒸发、混合及燃烧等子模型的建立.4.1流量模型湍流运动的CFD是目前CFD领域困难最多但研究最活跃的领域之一.常用于内燃机流动模拟中的湍流模型见表1.4.2点火式党把握模型燃烧过程的三维模拟较进排气流动模拟还处于初级开发阶段.缸内燃烧过程包含湍流流动、化学反应及层流扩散.对于由火花塞点火的点燃式内燃机来说,其点火模型只受质量和能量守恒方程的控制,可分为现象模型和解析模型.在其三维数值模拟中,应用前景最好的是基于层流火焰的CFM(CoherentFlameModel)相关火焰模型.它在柴油机扩散燃烧的研究中也有广阔前景.对于压燃式内燃机,其燃烧过程分为喷雾及燃烧过程,其常用模型见表2.4.3燃烧网格的解算方法.在内燃机的运转过程中需要对网格同时做出调整,因此,网格自动划分及计算结果的可视化后处理也是必不可少的组成部分.一般通过加密网格来提高计算精度,但要受到计算机存储能力和计算时间的限制.在不增加网格数量的前提下,为提高网格质量可采用混合网格和分区网格.对于气门、活塞等运动部件,可利用软件包建立内燃机非定常移动网格并进行解算.今后在内燃机缸内计算网格的生成上,将主要围绕移动网格和贴体网格生成技术发展.5其他辅助系统的设计5.1冷却液和润滑冷却系统设计要求保证内燃机在最适当的温度状态下工作,而且起动后能够迅速达到要求的工作温度;润滑系统设计要求润滑油要具有一定的供油压力以保证能够供应到各摩擦表面,同时其温度要保持在一定范围内.运用CFD技术对各系统内的流体进行数值计算,可以对冷却、润滑系统的设计方案提出建议.计算时,首先需要建立物理与数学模型.表3为履带车辆动力装置冷却液和润滑油流动模型的组成.冷却液和润滑油压力不大,可以假设为不可压缩流体;内燃机转速不变时,温度变化缓慢,流体密度对时间的变化率近似为零,可看作定常流动;当内燃机转速变化时,流体的流动可以认为在相应转速下的一系列稳态流动.网格划分的疏密取决于研究问题的性质,如对于等直径的长管,研究其内部冷却液或润滑油的流动问题,网格可以划分的疏一些;但对于轴承间隙,其内部润滑油的流动影响到整个系统的流动,则需对有限长轴承间隙做适当的网格划分.散热器处的热流密度较高,温度的变化引起流体流动阻力的变化.另外,其芯部的流场及温度场变化也比较大.因此,对其进行网格划分时,首先要考虑芯部的流体流场分布情况;其次,要有利于每个单元内流体的边界条件的确定.5.2物理模型的建立掌握车辆动力舱的热工况,是合理地设计车辆动力装置、传动装置、冷却系统和动力舱总体结构的必要前提,而动力舱空气流动与传热分析是车辆动力舱设计过程中必须进行的重要环节.建立动力舱内的几何模型时,可对空气流动和换热作用不强烈的部分部件或几何尺寸很小、不足以形成明显影响的部件进行适当的简化和省略.建立物理模型时要从空间维数、时间因素、流动形态和物性参数等四个方面综合考虑.在计算过程中,根据压力或速度梯度的大小对网格进行自适应化处理,在变量梯度大处加密网格,在变量梯度小处减小网格密度.计算区域外边界(含入口边界和出口边界)可采用压力进出口边界条件;舱内固体部件表面(固体壁面边界)对连续性方程在壁面上应用无滑移边界条件,其它方程采用壁面函数法来处理;散热器芯部可看作多孔介质来处理;对冷却风扇转动部分的壁面可采用旋转坐标系下的控制方程进行计算.设置传热边界条件时可应用传热软件计算出所需要的热流密度或温度边界条件,以反映部件表面与空气之间传热状况的变化,保证模拟结果较准确的与实际物理问题相符合.在计算时还需要综合考虑风向、太阳光等自然条件对其的影响.6对于节能和模型的改进,建议对于分由于内燃机从进气到排气以及冷却和润滑系统内各流体的流动是一个连续过程,每个过程都同时涉及多个部件且相互影响,因