《管内压力波动问题的数值模拟研究》14000字【论文】

[在此处键入][在此处键入]管内压力波动问题的数值模拟研究摘要内燃机管内压力波动问题造成的危害与水锤效应的危害类似，轻则导致管道抖动,使管道连接处松动,长时间下会使闸门故障,重则导致管道爆裂,损坏内燃机,造成巨大的人员伤亡和财产损失。内燃机管内压力波与高速列车隧道内压力瞬变问题也类似。为了更好地了解和预防这个问题，本文将对简化管道内的压力波动进行数值模拟研究。本文基于有限体积法，采用STAR-CCM+对直管及不同曲率的弯管内的压力波动进行了初步研究，研究了粘性对管内压力波动的影响。得出的模拟结果与国外数值模拟的结果对比，所得的数值模拟结果总体变化趋势可以对应上，各压力波变化对应的时间点也能对应分析，所得相对误差不超过5％，在允许误差之内，同时根据网格独立性进行数值模拟研究，所得出的结论也证明了数值模拟的正确性。对30°、60°、90°曲率弯管的研究表明，在不考虑粘性时，其入口、中点和出口处的压力和速度随时间的变化规律与直管基本相同，只在流动参数剧烈变化处有细微差异。本文管内压力波动问题的数值模拟结果可以为工业和交通运输业提供管道甚至车体的设计思路，有效地减小压力波的危害。关键字:压力波;管道曲率；模拟计算论文类型：软件工程目录摘要 1Abstract 21绪论 41.1工程背景 41.2各环境下压力波形成机理及其危害 41.2.1内燃机排气管路压力波形成机理 41.2.2高速列车在隧道里产生压力波动的机理及危害 41.2.3管道水锤现象的机理及其危害 51.3国内外发展现状 61.4研究意义 81.5本文主要研究内容 92控制方程及数值计算方法 92.1控制方程 92.1.1质量守恒方程 92.1.2动量守恒方程 92.1.3能量守恒方程 112.2有限体积法 112.3网格划分及各网格优缺点 113管道内压力波动特征 133.1几何模型 133.2物理模型 133.2.1理想气体与无粘性流体 133.2.2稳态流动与非稳态流动 133.3网格划分 143.4初始条件和边界条件 153.5结果分析 153.6管内压力波动特性分析 193.7本章小结 254管内压力波动影响因素研究 254.1管道曲率半径的影响 254.2本章小结 31结论 32参考文献 33 1绪论管内压力波动问题在生活中都无处不在,工程领域内如管道水锤问题、内燃机排气管路内的压力瞬变以及高速列车经过隧道时的压力波动问题均可抽象为管内压力波动问题。抽象化研究可以极大的方便研究过程,以在不同的条件、物理模型下进行模拟,进而研究并提高所模拟实验对象的各方面性能。而将内燃机排气管路内压力瞬变抽象为压力波动问题,可以结合国内外的研究成果进行比对,容易理解和进行研究。1.1工程背景内燃机是工业史上的重要一项创造,其工作原理可以等同于热机,即将燃料储存在机器内部并使之焚烧,将燃料本身所含的化学能或生物能以热能的形式释放出来并加以利用,带动机器做功,这就是内燃机。因为它的结构简单、耐久可靠、造价低等特性,经改进后能满足排放的要求,所以被广泛应用于交通、工业等领域。第一台完全采用三级大气压力的大型内燃机于1860年3月诞生,由比利时人创造。受到煤汽机的影响启发,在1867年巴黎博览会上展出了一种热效率可达11%的大气压力式内燃机。但即使新研发的大气压力式煤气机的性能更好,却仍不能达到运输业要求的高效、轻便的要求。四冲程内燃机于1876年现世,它的出现很好的解决了旧式内燃机热效率低、质量大的缺点。柴油机于1892年在德国问世,它的出现使同时代的内燃机都望尘莫及,因为其高出了将近一倍的效率。由此,内燃机开始在历史上崭露头角。1.2各环境下压力波形成机理及其危害1.2.1内燃机排气管路压力波形成机理在每个内燃机的工作循环中,都会有一个高温高压的废气排出的过程。而这些高温高压的气体在排气管道中传输时,会以脉冲波的形式进行传播。而且由于高压气体的压力很大,从管道入口时的气流在压力的作用下会以极快的速度冲过管道,所以在模拟研究初始时间时,压力波就已经到达了管道出口。而当压力波到达出口时,有一部分会随着管道的途径被排出管道,另一部分会在传播到出口处形成反射的压力波,沿着相反的方向回传向管道进口,当回弹的压力波到达进口处时,又会在进口处形成向出口处回弹的压力波,在这种不断回弹的循环下,压力波的强度会逐渐变小,直到停止。1.2.2高速列车在隧道里产生压力波动的机理及危害高速列车通过隧道时产生的压力波动同样也可以抽象为内燃机排气管压力瞬变问题。将列车抽象为气流,以极快的速度从隧道口冲入隧道,将隧道抽象为内燃机排气管,高压的气流向前冲击,使前方的区域被压缩并向前波动,就这样形成了压力波动。当波动到达隧道口时形成一部分回弹的压力波,在不断消弱的反射中,会产生复杂的空气动力学效应。图1.1高速列车通过隧道时产生的波动示意图在隧道内高速行驶的列车,若不充分考虑到运行速度的提高,会直接造成列车乘客及机动组工作人员的耳膜不适,影响并且大大降低其驾驶的舒适性,对于车体也可能会产生一定的伤害,当列车驶进隧道时,同时也可能会在出口向外产生微压波,发出较大的噪声,并对周边人民的正常生活造成较大的影响,造成扰民问题。对于行车而言,会直接导致机车阻力的增大,为了有效克服其前行的阻力,需要消耗更多的动力,且这就要求机车的动力需要增加,经济性降低。1.2.3管道水锤现象的机理及其危害水锤现象是由于管道阀门闭合过于迅速或供能设备突然停止运作时,在惯性力的作用下,后续水流速度迅速增大,像把锤子一样击打,并对阀门和管壁造成破坏,故被称为水锤。水锤效应主要会造成压力剧增,超出正常工作规定标准,轻则导致管道抖动,使管道连接处松动,长时间下会使闸门故障,重则导致管道爆裂,造成泄露,损坏其他设备,更严重者,将会是公共安全的重大隐患,可造成巨大的人员伤亡和财产损失。所以如何有效的减小或消除水锤效应,是当前水利学所探讨研究的问题之一。水锤效应同样可以视为压力波动模型,只不过参与的介质由气体变为了液体,需要充分考虑其质量、惯性、粘性等物理条件的影响。图1.2管道水锤现象的过程演示1.3国内外发展现状目前,国内对于管内压力波动的研究,在内燃机领域内主要是以研究增压多缸内燃机的排气管道为主,以两缸增压中冷柴油机为例,昆明理工大学的刘慧杰等,分别使用了AVL-BOOST和AVL-FIRE软件建立了内燃机的一维工作模型和三维分析模型,首先模拟了不同转速下的排气压力变化,发现随着转速的不断增大,入口处的排气压力均值和其变化幅度均有较大的提升,而曲线的峰谷相位出现了比较明显的滞后。随后研究了不同长度、直径以及排气提前角等条件下,对涡轮效率的影响,模拟出的结果是这些条件对其有显著的影响[9]。尹升对于四缸高压共轨柴油机也做了类似的研究,主要针对四缸增压柴油机进行台架测试的方法研究了排气歧管的瞬态压力特性,对不同的转速和负荷下的压力波动的变化规律,找到其最值对应的各项参数,同时针对发动机里的VNT系统和EGR系统对尾气排气压力进行研究,改变其VNT喷嘴换开度和EGR率,模拟其涡轮效率波动强度随这两点改变的变化[5]。中南林业科技大学机电工程学院的杨汉乾等,利用T-GT-Power自动仿真控制设备和模拟软件技术针对一台直喷式涡轮增压电动汽油机的增压发动机结构进行了自动仿真和建模计算,依照发动机的实际参数设置数值,主要研究了排气歧管的长度对排气压力的影响,模拟表明,在规定转速下长的排气歧管入口处的压力波动的最大值和最小值基本比短的排气歧管的小,同时短排气歧管的平均压力也高,模拟结果表明,为了得到更高的增压压力和扭矩,可以在低转速工况下采用较短的排气歧管[8]。李圆等同样使用了GT-Power仿真软件对一款1.5L的直喷自吸式汽油机进行了模拟仿真,使用AMESim软件对喷油器进行建模,在其研究中汽油机的性能也会受到排气压力的影响,主要是由于排气压力所产生的波动会在排气门开启的同时与气门重叠区变化,会对排放残余废气产生较大的影响,当气门重叠区里的排气压力减小时,由于压强的影响会增加进气量,会起到促进残余废气排出的作用,有效的提高了汽车的动力性[6]。在高速列车领域内,姬鹏等通过比较数值模拟结果和运动模型测试数据之间压力波动的波形和峰值,通过网格的结构化和其他湍流模型对隧道中高速列车的运动所产生的压力波动进行数值模拟。从而得到与运动模型试验数据的压力波动幅值最大值相吻合的数值模拟结果,并使其差异小于规定误差范围。最后也获得了膨胀波和压缩波在隧道中的传递规律,而得到的压力波形也满足了这一传递规律,验证了数值模拟结果的精度和准确性[10]。Davidchalet和Pascalchesse提出了一种新的压力损失模型,该仿真模型可以被包含在一个一维发动机的仿真代码中,为了确定这个模型可以在一维代码中被使用的压力损失系数,进行CFD分析,将CFD代码用作数值测试平台,用于压力损失模型的开发。为了研究非定常压缩流对接头附近流体行为的影响,采用CFD软件Fluent作为数值试验台,对接头处的奇异性进行了分析。CFD代码用于可视化和理解发生在连接处周围的三维现象。该软件使用基于控制偏微分方程离散化的有限体积法。几何体是用GAMBIT建模的。网格由四面体单元组成。为了减少计算时间,在半个连接处进行了研究,并采用了对称的平面边界条件。湍流评价选用标准k-ε模型。在这个CFD代码中,主要是根据Courant-Friedrichs-Lewy条件自动设置时间步长,此时的Courant数设置为0.8。首先,管内的空气具有初始的内部压力和初始的内部温度。将外部条件为1bar和300K提前设置。模拟过程包括在t=0时,通过管道将外部空气吹入系统。在这个目标中,它比大气压力低。然后,产生一个冲击波(压力和速度阶跃)以穿过交叉点。这样就有可能检查奇点处出现的三维现象,并评估它们对流体一般状态的影响。结果表明,当管径相等时,压力波通过后各管内的密度保持不变。为了研究模型对流动特性的影响,进行了实验分析。通过激波管试验台,可以测试不同的压力比,并在受控和方便的条件下(非稳定流)进行正、逆流试验。他们对内燃机进气和排气系统的连接处的流量做了完整分析,为了显示新模型的良好结果,在减震管上进行了实验研究。该模型包含在火花点火仿真代码中,修改后的代码的结果与发动机全负荷下的实验研究非常吻合。可以使用修改后的模拟代码来研究内燃机的进气歧管和排气歧管对发动机的填充和排空的影响。最后得出结论,新模型更适合于研究压力波现象对发动机性能的影响,尤其是对管道频率对发动机充气和排气性能的影响的研究[11]。1.4研究意义从原始人的时代开始,人类就从未停止对自然生态的开发和索取,从中得到需要的物质和能量,虽然在开发利用的道路上使社会物质文明高度发展着,但同时也对环境和生态造成了不同程度的破坏,给人类社会带来了一系列问题,在诸多的问题中,大气污染是一个十分棘手且危害极大的问题。当今世界,随着社会的稳定发展,人们对于大气问题的重视程度越来越高,世界各国都根据自身情况制定了不同的排放法规,并严格督促执行。而内燃机作为当今世界运用极广的机器,在运输业、发电等方面有着举足轻重的地位。内燃机的排气管道中的压力波和气体在其传播的过程中会产生形成一定的压力波,如何合理地配置利用这些压力波的能量,使得进行排气的效率大大地提高,进而使得发动机的输入和功率大大地提高,达到了提高驱动性,减少污染物排放的主要目的。如何在不影响甚至提高功率的情况下促进排气成为了内燃机发展的重要问题。在内燃机的排气过程中,由于存在着反射压力波的影响,可以在合适的时间里使排气门开启,使进口的气体与向进口处回弹的压力波同时到达,这样就可以提高排气的效率。但如果进口处的气体和向出口处回弹的压力波同时到达的话,则会对排气系统起相反作用,会大大降低排气效率,所以排气门开启的时间与反射压力波到达的时间能否一致就显得极为重要。所以为了保证能够准确使得这个排气管阀门打开启动后的时间与向着这个进气口阀门方向进行回转反弹的这个压力管纹波在声声音速上的传递到达启动时间相一致,把这个方向压力管纹波的声音传递到达速度与它的声音音速设置一致,同时合理地重新设计好了排气管的阀门长度,来通过同时改变向着排气管阀门和向着进出口方向排气管的阀门开启启动时间之间的连接位置和启动距离从而同样来利于达到良好的废气回弹噪声反馈控制效果,促进了车内废气的回收利用,以提高内燃机的排气效果。研究排气管路的压力波动还对下述问题有直接的指导意义。(1)排气管中的压力波特性是脉冲增压方式的重要理论依据。利用管系中的压力波传播规津,可以确定脉冲增压具体方案;选择涡轮流通截面;计算能量传递效率;进行脉冲转换器和排气管网的匹配与设计。(2)研究进气压力波动对压气机喘振、压气机和涡轮效率等的影响。(3)研究非定常压力波对高温排气能量传递与利用的影响。(4)利用压力波特性进行调谐增压、气波增压等新型增压原理和性能研究.开发相应的新型增压装置。(5)应用压力波和工质传热的联合作用,设计和改善增压中冷装置的结构与性能。(6)研究非定常工况下内燃机的热平衡及传热特性、内燃机冷启动及排放控制问题。(7)研究各种动态条件下冷却系统水套及管路中的压力波水锤效应及穴蚀破坏问题。(8)研究了高速铁路列车在隧道中通行时所产生的压力幅值,针对行车安全对列车速度进行限制。1.5本文主要研究内容本文主要是运用CDF计算流体力学软件STAR-CCM+对管道进行仿真模拟,主要是以模拟内燃机的二维排气管道为主,对规定长度下不同曲率,不同网格数的模型进行仿真模拟计算。首先进行不同曲率下的管道建模,三维建模完成后对模型进行区域划分并生成体网格,设置好参数后将模型转化为二维模型。其次再设置边界条件,在合适的位置设置监控探针,数量可以多设,位置也可以不同,通过这些监控探针监测对应位置下的流动速度和压力,模拟生成压力标量场上管内压力变化的动画,同时也得到各个监测探针探测生成的云图,通过对比不同曲率或网格下的云图进行分析。本文研究的问题性相对较简单,并没有涉及到复杂的物理模型和边界条件,但本文的研究也为以后的研究奠定了基础。2控制方程及数值计算方法2.1控制方程对于内燃机排气管的压力波动问题,实际上是管道内的各种流体运动模型,对于各种流体而言,所有这些流体都需要严格地遵循着质量、动力、能源三大基本定律。在这些基本的守恒定律的理论支持下,才能正确地通过CFD软件模拟出想要的流体模型。当然,对于不同地流体所要求的基本方程也是不同的,比如,对于牛顿流体而言,需要用到Sutherland定律和幂次定律,而非牛顿流体由于其粘度不恒定,所用方程也并不相同。2.1.1质量守恒方程对于质量守恒定律,可以理解为:单位时间里增加的流体微元体质量,其量就与相同时间下流入该微元体的净流量,应用后得出质量守恒方程:∂ρ代入矢量：div得到连续方程：∂ρ2.1.2动量守恒方程对于上述流体动量密度守恒变化定律,可以简单地将其理解定义为:在一个秒为单位的流动时间内,流体的化学动量守恒变化率大约可以等于一个流体所能够承受和遇到的各种化学力量之和。在其中X、Y、Z三个不同方向上的三角动量及其守恒函数方程式分别可以写为:X：∂Y：∂Z：∂式中p是压力，F是微元体上的力，微元体上的表面切应力为：ττττττμ——动力粘度,λ——第二粘度,一般取λ=-2/3,得∂∂∂式中，grad=∂∂x+∂∂y+∂∂z；Su、Sv和Sw是动量守恒方程的广义源项，Su=Fx+sx，Sv=Fy+sMSMSMS上述的就是动量守恒方程。2.1.3能量守恒方程对于能量守恒这一定律,可以简单地将其理解定义为:一个流体伴随机械作动能的绝对变化率及其相当于伴随流体所运动吸收的流体热量的绝对变化率与伴随流体运动做功能量变化率的绝对比值及其总和。当在实际应用中将热力学第一守恒定律用来作为能量控制一个物体的定律时候,能量守恒律的方程则为其定义形式为:∂展开后得：∂其中cp为比热容，T为温度，k为传热系数。2.2有限体积法在关于CFD的课程学习中,就常常需要通过了解一些基本的的计算公式和设计方法把它作为一个过程求解一些相关联的控制函数方程的重要途径,得到它们的近似值和理解。在离散数值差分求解中对于一个离散函数阶段可以使用的各种差分方法在CFD中的应用中主要类型有两种:有限差分法和有限维的体积差分法。这两个方法有很多相似之处,本文主要以有限体积法为方法进行研究。有限体积法最开始是用来求解处于二维时域的欧拉方程,之后被应用拓展到三维流动问题。在STAR-CCM+软件中,当开始构建模型后,会需要使用到一种构建流体网格结构,用来对模拟流体计算的区域,这些模拟区域通常都指的是有限数目相邻控制体单元,他们所对应的物理量都遵循着守恒定律,根据各个流体在质心上的位置,求出相邻控制体在物理表面上每个变量的位置。有限体积法对于任何网格都可以适用,虽然有限体积法仍存在着很多缺点,比如对于一些较为高阶的三维差分近似构造起来比较困难,但与他显现出的其他优点相比,这些缺点就显得微不足道。比如三维和二维的问题,可以分别应用四面体、六面体有限元网格组合和三角形、四边形有限元网格组合,可以通过这些有限元网格进行更复杂的几何模拟问题。2.3网格划分及各网格优缺点对于多面体网格的选择，首先要对多面体网格进行了解，在了解它们各自的优缺点后才能根据自己所用模型的特性进行正确的选择。在SimcenterSTAR-CCM+中，只要有足够多的面来创建封闭网格单元体积，网格单元便可具有任意数量的面。网格单元的面不能彼此相交，但可以沿公共边接触。在三个维度中，允许存在任意多面体形状的网格单元。在两个维度中，允许存在任意多边形的网格单元。在STAR-CCM+中比较常用的多面体网格有四面体网格、六面体网格和多面体网格，而在二维模型中也时常用到三角形网格、四边形网格和多边形网格，需要根据不同的模型进行择优的选择。通常情况下，在设置网格类型时还会添加棱柱层网格单元，用来求解边界层。通过棱柱层，求解器可精确求解近壁流体，这对于确定壁面上的力和其他参数都至关重要。使用的湍流建模方法和所需的物理保真度可确定层的厚度和数量以及棱柱层网格的分布。根据雷诺数，湍流剪切层在交叉流方向需要超过10-20个网格单元，才能精确地求解湍流的流量分布。要求解粘性子层（即，低y+壁面处理），需要更多的网格单元。如果只需要总流体特征（如表面摩擦的一阶估计值），则只有少数棱柱层且更粗糙的高y+壁面函数类型网格可以产生可接受的结果。棱柱层也会使壁面附近的数值扩散降低。数值扩散是在有限体积平流格式中用于使间断和陡峭梯度弥散开的离散化误差。当流体与网格对齐时，将最大程度降低数值扩散。因此，使用棱柱层可显著提高精度。但本文所选用的物理模型涉及无粘性的理想气体，设置棱柱层网格对研究的意义不大，所以在后面的模拟中不会出现，这里仅作延伸拓展。四面体网格（如图2.1）：是最基础最常用的体积单元，通俗的来讲就是由三角形所围成的体，每个四面体有四个相邻的单元，由线性的近似值来表示单元中心的数值。四面体网格由于可以快速生成网格的特性，多用于自由网格的划分，对于复杂几何的适应性好。但缺点也很明显，就是精度不如六面体等多面体，当需要采用更高阶的单元时，就会产生更大的计算量，且计算收敛慢。图2.1四面体网格图2.2六面体网格图2.3多面体网格六面体网格(如图2.2):相较于四面体网格而言,六面体网格的精度等方面有着显著的优势,计算规模也相对较小。而在一些特殊的条件下,不能使用四面体网格而只能选用六面体网格。但六面体网格由于其相对较复杂的几何特性,生成相应的网格所需的时间要更久,因为需要进行更加复杂的几何简化等操作。多面体网格(如图2.3):对于六边形拓扑网格进行研究,其设计思路起自于:一个六边形的拓扑网格就可以通过利用最小周长来划分相同面积。这就是著名的"蜂窝猜想"的问题。多面体网格系统具有的优点主要包括:复杂几何的适应性,较少使用者的干预,体单元理论上使用者可以拥有人为一个数量大小的表面,提高了网格系统自动化制作和生成的效率,提升了网格系统的质量。3管道内压力波动特征3.1几何模型STAR-CCM+可以用于内燃机排气管道模拟仿真计算,模拟排气管排气的整个循环过程。对于建立此内燃机管道,几何模型如图3.1所示,其为总长参数为1m,直径为0.01m的长直管。图为二维截面图形。(1)在进行二维仿真建模的过程中,排气系统的组成被简化,包括:排气歧管、排气管、催化转换器、排气温度传感器、消声器和排气尾管等子部件,应用软件自带的模型对其定义近似的参数。(2)参考流体力学等相关的知识,建立其几何模型。图3.1内燃机排气管简化直管道几何模型3.2物理模型在STAR-CCM+中,物理连续性会被用来定义一组与物理模型和其相关联的材料。物理连续体可以与一个或多个区域相关联,尽管也可以让休眠的连续体不与任何区域相关联。在物理连续体中,物理模型将集中地定义和模拟物理在运动时所需要求解的主体和物理量。3.2.1理想气体与无粘性流体对于理想气体,顾名思义就是理想状态中存在的气体,理想气体是没有质量也没有分子作用力的无粘性流体,而现实生活中,不存在没有粘性的气体,只有粘性大或粘性小,相对于其他介质而言,气体的粘性相对较小,在本文中也是以气体作为模拟流体的,其粘性对计算结果的生成的影响可以忽略,所以本文中均以理想气体为模拟流体。理想气体的状态方程为ΡV=νRT=对于无粘性流体,流体有无粘性是判断流体有无阻碍流动作用的依据,理想气体就可以被认为是无粘性流体,但无粘性流体不一定是理性气体,在本文中,均以无粘性来模拟。3.2.2稳态流动与非稳态流动稳态流动是指管路中的流体在流动或波动时,其参数不会随时间变化,处于一种稳定的状态,叫作稳态流动。非稳态流动是指管路中的流体在流动时,其速度、温度、压力等相关的参数会随着时间发生变化,使整个流动处于多变的不稳定的流动状态,叫做非稳态流动。在本文的研究中,由于需要监测各点压力和速度随时间变化的曲线,所以属于非稳态流动。3.3网格划分对于网格的划分,需要一套具有离散计算域和空间的体网格,而STAR-CCM+既然是一套可以自动导入的生成体网格,也同样是可从外部直接导入各种体网格,网格的类型也需要选择适合模拟的网格。在本文中,由于多面体网格对复杂立体几何的图形适应性较好,网格所用的需要直接生成的图形效率高,质量好,主要以多面体网格为主要网格。如图3.2所示,所用多面体网格的基础尺寸为0.001m,生成后的网格单元有11006个。由图可以很清楚的看到,每根管道的横截面至少覆盖了十层多面体网格。图3.2内燃机排气管路网格模型图3.2a进口处网格图3.2b出口处网格3.4初始条件和边界条件连续体模拟的初始场数据是指定一个模拟的初始场。对于每一个模型都需要掌握到足够的计算条件,为模拟的初始运行提供了便利,在整个计算域中,模型的主要变量都被设定为了合理值,包括与压力、温度、速率分量和湍流数目相关的物理变化。在本文中,由于简化了排气系统的其他部件,为了营造排气时的高压气体的特性,将管道进口的初始压力设为50000Pa,内外温度均为常温300K,初始速度为0,任其自由扩散进行模拟研究。SimcenterSTAR-CCM+提供了许多覆盖许多牛顿实际流动状态的边界设置。边界条件允许流体进入或离开域。壁面可以限制或阻挡流体。通过使用对称或周期边界条件,可以简化几何并减少模拟运行时间。边界条件可定义围绕计算域周长的已求解物理量,或求解器如何处理它们。边界的类型决定了边界表面旁的棱柱层网格生成器的默认行为。对于流入和流出边界类型,棱柱层网格生成器不会形成棱柱层,先设置边界类型再生成网格可节省时间。在本文中,管道的进气口以滞止进口为主,出气口以压力出口为主,管道为壁面。滞止入口:滞止入口边界是指定压力和温度的总值以及流向时的流入条件。滞止条件是指位于上游虚室中的条件,在这个虚室中流体完全处于静止状态。对于不可压缩的流,会使用伯努利方程将总压力、静压和速度幅值关联在一起。对于可压缩的理想气流,会使用恒熵关系,且特征变量将有助于确定流体的边界属性。压力出口:压力出口边界为施加工作压力的流出条件。此边界压力可以视为流体进入的环境的静压。在正常流出条件下,诸如速度或温度的所有其他变量的边界面值可从求解域内部进行外插值。3.5结果分析在模拟的运行中,需要选取在正确范围内的时间步长才能使模拟顺利进行。不正确或超出范围内的时间步长都会使模拟中断报错,同时网格划分得出的数据的稳定性和精确性也与时间步长有着密切的关联。所以如何选取正确的时间步长是处理数据进行比对的关键。时间步长t与柯朗数有关。柯朗数又被称为CFL准则或CFL数。柯朗数的物理意义就是时间步长内流体运动距离与矩形网格单位长度的比值,当时间步长、流体速度、网格长度任意一项发生变化,库朗数也会发生变化。因此库朗数可以简单理解为一个比值,在给定时间步长和给定网格中,流体在网格中的运动距离。而且具有高度稳定性的准则得到合理时间步长主要有两种计算方法,分别是依靠全局柯朗数得到和依靠网格单位的局部柯朗数得到。首先,对于全局柯朗数有:Co其次,基于网格单元的局部柯朗数有:Cocell基于上述两方程式所得到的时间步长虽然远大于本身所选的时间间隔,但仍然可以满足在运算时的要求。对于全局柯朗数和局部柯朗数两种估算方法来说局部柯朗数更为精确,运算出的数据更为稳定与准确。3.5.1网格独立性研究对同一管道进行不同网格尺寸的模拟,旨在研究不同网格尺寸下,排气管道压力波有什么变化。下面展示的是总长1m,直径0.01m的直管,网格尺寸分别为0.05m、0.001m和0.0005m时的对比图。图4.13三种不同网格尺寸的进口压力变化图图4.14三种不同网格尺寸的中点压力变化图图4.15三种不同网格尺寸的出口压力变化图图4.16三种不同网格尺寸的进口速度变化图图4.17三种不同网格尺寸的中点速度变化图图4.18三种不同网格尺寸的出口速度变化图由上面的视图可以看出,不同基础尺寸的多面体网格下的管内压力波动总的趋势和变化的时间点都基本一致,但图4.13、图4.14、图4.16、图4.17中,基础尺寸小的多面体网格下的管道对应的曲线要比基础尺寸大的管道曲线更加平缓,但总体变化趋势保持不变。而在图4.15和图4.18中,可以清楚的看到,基础尺寸小,网格更密集的折线在遇到突变时,所展现出的图像更突出更明显,能更清晰地展示出突变的程度,有利于对问题进行更准确地分析。3.5.2小结在本章中,主要研究了不同基本尺寸网格下的压力波动问题。对网格尺寸的改变,分别选用了基本尺寸为0.05m、0.001m和0.0005m的多面体网格,在得出的图像来看,网格尺寸越小,网格越密集,所得出的压力和速度的图像就越准确稳定,网格数多的所模拟出的图像也更清楚。对比折线,可以得出结论,网格数不同,对于他们压力波的变化也没有太大的变化,说明网格的改变不会对数值模拟的结果产生改变，同时也证明了网格独立性。3.6管内压力波动特性分析本文主要通过STAR-CCM+软件对排气管的压力波动进行数值模拟。,在此软件中,主要采用的网格模型是多面体网格,接下来就来展示直管中各监控点测出的压力、速度波动图并进行分析:图3.3距进口0.02m处的压力变化图在管道进口处,排气初时由于初始压强较大,管口处的压力迅速下降,但很快,会有一小段时间内压力几乎保持不变,原因就是原先致使压力陡然下降的那股气流所产生的部分压力波,经过管道及管口的反射后,回弹到了管口位置,使其下降的压力得到了一定量的补充,当这部分压力波再次从管口处离开时,管口处的压力再次下降,依照这个规律,下一次的压力波动也会使管口处的压力波稳定一段时间,但由于每次的波动都只是部分压力波,所以叠加下来,压力波会越来越小,而管口处的压力也会愈发的趋近0。图3.4管道中点0.5m处的压力变化图当管道中点位置刚开始出现压力变化时,气流迅速从管道中穿过,压力迅速从50000Pa降至0Pa,形成真空区域,在较短的传播过程中,气流到达出口,形成了反弹的压力波,回弹的压力波使中点从零压力在极短的时间形成了30000Pa左右的反压力,并随着压力的回落而回落,此时内燃机正处于自由排气阶段。而在0.01s过后,压力的往复回弹的趋势已经变得较为平缓了,因为此时内燃机内产生气流的速度大约等于排气系统排出气体的速度,所以致使排气管道内的压力在一个稳定值内以较缓的趋势波动。此时内燃机正处于强制排气阶段。当0.03s之后,排气管内由于处于排空阶段,压力逐渐平缓至0不再波动。图3.5距出口0.02m处的压力变化图而在出口处,气流从此处排出管道,在极短的时间内就排出了流体,同时也使出口位置在极短的时间内形成了负压区域,在图表中,压力一度降低到了0刻度以下,而随着出口处生成了部分回弹的压力波,在经过回传后再次通过出口时,所产生的压力的大小就远不如初始压力带来的影响了,随着时间的推移,出口处的压力不再波动,趋向于0.图3.6距进口0.02m处的速度变化图图3.7管道0.5m处的速度变化图图3.8距出口0.02m处的速度变化图图3.9直管进口、中点和出口速度比对图图3.10直管进口、中点和出口压力比对图由图3.6、图3.7、图3.8各自的速度变化曲线不难看出,无论是在哪个位置的速度,都会在速度增加的过程中突然速度保持稳定,然后速度进一步提升,波动的次数通过图3.9的对比可以观察到,波动的频率大致相同,但相比较之下,出口处的速度变化时间比进口和管中的要早,这是因为在压力气流冲出管道时,进口和管内回弹的压力波还未到达,而压力波最先发生在出口处,致使出口的速度在第一时间里就急速攀升,随着压力波的传递,管中和进口处的速度相继发生变化。而在出口速度曲线上,最初阶段的速度由0攀升至100左右后下降了一小段,在图中形成了一个小波峰,其原因可能是由于反弹的压力波与出口处形成的负压区域相互抵消后产生的速度略微降低。在0s至0.01s的时间段内,进口和出口的速度比管中间处多波动了一次,其原因是压力波会在进口和出口反复折射回弹,而管中间只到传播的作用,所以就会比进口和出口少波动一次。而通过图3.10就可以对上述的结论进行验证,通过压力在不同点的波动进行相应的过程分析,当初始时间时,压力波就已经到达出口,而管道中的下降趋势比出口处要慢上一点,在进口处压力持平的几段时间里,正是回弹压力波到达进口进行波动的时间段。最后各点的压力都趋向于0,逐渐平稳。3.7本章小结本章主要针对直管进行了压力波动的模拟仿真,随着模拟推进,场景随之更新,从中可以提早获知求解收敛结果的迹象。为帮助评估收敛,本文中选取了三个具有代表性的位置进行监测。通过各点所测得的压力和速度可以很清楚的观察到其压力和速度的变化,发现排气管的压力波会对管道中部的压力变化产生较大的影响,导致中部的压力不稳定,容易剧变。而压力波在管道进口和入口处的折射则会影响管口处的速度多次出现波动。这些波动的大小与初始压力有关,过大的压力也会导致反弹程度更大,造成一定的隐患。同时将数值模拟结果与国外数值模拟结果进行对比，发现总体变化趋势能一一对应，能基本保持一致，进一步验证了数值模拟的正确性。4管内压力波动影响因素研究4.1管道曲率半径的影响在现实工业中,不是所有的管道都会是180°的直管,为了节省空间,缩小体积,在很多机械设备中都使用了弯管结构。内燃机内也不例外,为了尽可能地使发动机的体积小,大量使用了弯管等结构,排气系统内的排气管路也有弯管结构。接下来就来展示不同曲率半径下弯管的压力波动云图。图4.1曲率为30°的管道压力波动云图图4.2曲率为60°的管道压力波动云图图4.3曲率为90°的管道压力波动云图以上的图4.1、图4.2和图4.3就是曲率分别为60°和90°的管道云图,可以很清楚的看到管道的网格和压力分布。为了得到不同位置的压力变化,监控探针可以进行测量。监控系统在进行数据求解时可以实现对模拟的总结和信息的采样及时保存。在求解进行时或者迭代或非稳态时间步完成后对求解进行后处理时在XY绘图中显示此信息。它们可用于观察数值物理量或工程物理量随求解发展而表现出的行为,还可用于定义可以停止求解迭代的停止条件。上图所示的标点处就是所设的监测探针。通过探针所监控到的相关数据,将这两种不同曲率下的管道模拟数据进行对比。图4.4三种不同曲率进口处的压力变化对比图上图是三种曲率的进口处的压力变化，三种曲线基本都重合在了一起。图4.5三种不同曲率出口处的压力变化对比图上图是三种不同曲率的出口压力,各个曲线的绝大部分都重合在了一起,说明出口处的压力也没有因曲率的变化而变化,但当斜率为30°时的管道在压力陡降至负压时,其他斜率下的曲线却没有在同一时间内变化至负压,只是在0压力间波动,说明斜率越大的管道,在出口处形成负压的概率就越小。气流因惯性冲击弯管时会使受冲击的一侧管壁的压力增大,并贴着管壁继续沿管道流动,而背离受冲击的一侧会由于曲率的影响形成负压区,曲率越大,其负压区域形成的越快,并逐渐延伸至出口,负压区与高压区在管口的作用相互抵消后,压力便只在0附近波动,不再形成负压区域。图4.6三种不同曲率中点处的压力变化对比图图4.7三种不同曲率进口处的速度变化对比图图4.8三种不同曲率出口处的速度变化对比图图4.9三种不同曲率中点处的速度变化对比图由上面展示出的图表可以观察到,曲率30°、60°和90°的速度和压力曲线经对比并无明显的不同,变化的各项曲线基本都能重合在一起,且也能与180°直管的各项图标重合,说明管道曲率的变化对管内压力和速度并无明显的影响。4.2本章小结在本章中,主要研究了不同曲率下的排气管道下的压力波动问题。对曲率的改变,分别选择了曲率为30°、60°、90°的弯管进行模拟,从得到的视图来看,小程度地改变曲率的大小,并不会使管道压力波产生明显的变化。但从流场图可以了解到,不同曲率下的压力分布不一样,对于直管而言,流场图中的各分布都是均