[車輛工程]普通節(jié)氣門流場(chǎng)數(shù)值仿真

1、目 錄摘要2abstract21 前言31.1 發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門研究的重要性42 節(jié)氣門模型的建立82.1 模型的描述93 計(jì)算結(jié)果分析143.1 y-z平面的速度場(chǎng)144結(jié)論23總結(jié)與體會(huì)24謝辭26參考文獻(xiàn)27附錄28普通節(jié)氣門流場(chǎng)數(shù)值仿真摘 要發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性是反映汽車發(fā)展的重要標(biāo)志。本設(shè)計(jì)是針對(duì)長(zhǎng)安汽車的一款491發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)氣門對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值仿真分析，通過(guò)solidworks2010建立了1:1三維模型，并畫出二維工程圖，為了研究節(jié)氣門在某一開度下的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)情況，先要對(duì)模型用gambit重新建模，建立不同節(jié)氣門開度（5%-100%每隔5%開度建一個(gè)模型）下的三維模型，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格

2、劃分，用基于fluent軟件的標(biāo)準(zhǔn)k-模型對(duì)節(jié)氣門三維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真。通過(guò)計(jì)算可以看出，隨著節(jié)氣門開度逐漸增大,節(jié)流板對(duì)氣流的阻力隨之減小，出口截面平均流速，流量隨之增加。仿真結(jié)果可以為發(fā)動(dòng)機(jī)的選型，改進(jìn)幾何供油系統(tǒng)，噴油系統(tǒng)的匹配提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：汽車節(jié)氣門，數(shù)值仿真，標(biāo)準(zhǔn)k-模型，fluentnumerical simulation of a ordinary mechanical throttles flow fieldabstractengine power and economy is an important symbol to reflect the development o

3、f the automobile .this project is a flow field numerical simulation analysis based on chang-an automobiles 491 engine throttle, three dimensional 1:1 model is established by solidworks2010, and draw a 2 d engineering drawing, in order to study a flow field movement situation of throttle under a cert

4、ain opening, we need use gambit to re-modeled, build 3 d models under different throttle opening(5% - 100% for every 5% opening) , and carries on the grid division, three-dimensional flow field of the throttle is analyzed，using standard k model，which is based on the fluent software. through simulati

5、on results, we can have a knowledge of the fluid motion law of throttle and provide the reference for the engine type selection, improvement of geometry fuel supply system and the matching of fuel injection system.key words：automobile throttle, numerical simulation, standard k - model，fluent1 前言1.1

6、發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門研究的重要性最早的內(nèi)燃機(jī)是在十九世紀(jì)問(wèn)世的，至今己有一百余年的歷史。百余年來(lái)，熱負(fù)荷小、熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等是內(nèi)燃機(jī)具備的優(yōu)點(diǎn)，而且在船舶、車輛、工程機(jī)械等領(lǐng)域取得了非常廣泛的應(yīng)用。內(nèi)燃機(jī)也己經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)比較完備的動(dòng)力機(jī)械體系，發(fā)展的比較成熟，其中有兩個(gè)方面的科技發(fā)展為此起了很大作用，一是增壓技術(shù)和高壓共軌技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品上的廣泛應(yīng)用，二是電子控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)在內(nèi)燃機(jī)研制中的應(yīng)用。在這樣一個(gè)發(fā)展歷程中，內(nèi)燃機(jī)為世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)，對(duì)人類文明的發(fā)展起到了極為重要的作用。從20世紀(jì)40年代開始，人類進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)時(shí)代，內(nèi)燃機(jī)可以說(shuō)是20世紀(jì)的重大科技成就之一。在今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間

7、內(nèi)，內(nèi)燃機(jī)作為主要交通工具的動(dòng)力其主導(dǎo)地位仍然不會(huì)改變。因此，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在可以預(yù)見的將來(lái)，內(nèi)燃機(jī)將仍是中小功率范圍內(nèi)最主要的原動(dòng)機(jī)。提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和改善其經(jīng)濟(jì)性是內(nèi)燃機(jī)研究者們一直追求的目標(biāo)，使發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與其供油系統(tǒng)和噴油系統(tǒng)的良好匹配是達(dá)到這一要求的很關(guān)鍵性因素。所以，研究節(jié)氣門的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)數(shù)值仿真研究的發(fā)展概況汽車行業(yè)是一個(gè)高速發(fā)展的行業(yè)，其競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈，在這種情況下，新產(chǎn)品推出的速度也越來(lái)越快，這也對(duì)行業(yè)的cae應(yīng)用提出了越來(lái)越高的要求。cae技術(shù)為汽車行業(yè)的高速發(fā)展提供了具有中心價(jià)值地位的技術(shù)保障

8、，可以為企業(yè)帶來(lái)巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。cae技術(shù)的應(yīng)用可以在樣品、樣車之前，模擬零部件甚至整車的性能和工作狀況，避免傳統(tǒng)上的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試改進(jìn)設(shè)計(jì)再試制的重復(fù)過(guò)程，減少了人力、物力和財(cái)力上的消耗而減低開發(fā)費(fèi)用，使汽車產(chǎn)品的大多數(shù)問(wèn)題都可以再設(shè)計(jì)階段通過(guò)仿真得到解決，從而提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，大幅度降低了開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用；它改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性分析，缺少定量數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)方法，使產(chǎn)品減重，性能優(yōu)化成為可能，同時(shí)采用cae計(jì)算能在短時(shí)間內(nèi)嘗試和比較更多的設(shè)計(jì)方案，因而有可能獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)而提高開發(fā)質(zhì)量，還能找到問(wèn)題的真正原因，為設(shè)計(jì)工程師提供修改方向，減少修改時(shí)的盲目性，縮短開發(fā)周期。統(tǒng)計(jì)結(jié)果

9、表明，應(yīng)用cae技術(shù)后，新車開發(fā)期的費(fèi)用占開發(fā)成本的比例從80%-90%下降到8%-12%，例如：美國(guó)福特汽車公司2000年應(yīng)用cae后，其新車型開發(fā)周期從36個(gè)月降低到1218個(gè)月；開發(fā)后期設(shè)計(jì)修改率減少50%；原型車制造和試驗(yàn)成本減少50%；投資收益提高50%。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)數(shù)值仿真模型的發(fā)展包括零維模型、一維模型和三維模型的發(fā)展過(guò)程1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)零維及一維模型發(fā)展及現(xiàn)狀零維模型的計(jì)算方法的基本思想是：氣體在氣道中的流動(dòng)過(guò)程被認(rèn)為是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程。管系被視為一個(gè)容器，在給定的時(shí)間內(nèi)，整個(gè)容器中的狀態(tài)(即各點(diǎn)的熱力狀態(tài)和氣體的成分)都是一樣的，且只是時(shí)間的函數(shù)。這種模型有很多影響因素

10、沒有考慮，比如忽略空間相關(guān)性，忽略了傳熱、傳質(zhì)和湍流流體的動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)，與此同時(shí)也只需要較少的計(jì)算時(shí)間及結(jié)構(gòu)參數(shù)。在國(guó)內(nèi)外零維模型目前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，一般情況下在管系相當(dāng)短時(shí)，運(yùn)用該方法可達(dá)到非常滿意的計(jì)算結(jié)果；當(dāng)管系為中等長(zhǎng)度的時(shí)侯，該種計(jì)算方法也是允許的；但是對(duì)長(zhǎng)度很長(zhǎng)的管系，就應(yīng)該換用非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)算法。當(dāng)對(duì)氣體在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門中的一維流動(dòng)過(guò)程按照非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)處理時(shí)，流體仿真的計(jì)算常常使用特征線法處理：一維不定常流動(dòng)模型。這類模型的研究者是應(yīng)用微渦流擴(kuò)散概念對(duì)汽油機(jī)一維非定常進(jìn)行了分析，組分濃度、溫度和速度都是作為時(shí)間和位置的函數(shù)關(guān)系，壓力是時(shí)間的函數(shù)用來(lái)做預(yù)測(cè)，所以可以求出火焰?zhèn)鞑ニ俣群托?/p>

11、值。之后的研究者對(duì)這種方法作了較好的改進(jìn)改善了湍流模型、預(yù)測(cè)n02形成過(guò)程、燃燒室形狀模型和汽油機(jī)分層燃燒現(xiàn)象。還有研究者把這種方法已經(jīng)推廣到了考慮具有分隔式燃燒室和兩相燃燒的二維模型。隨著計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了管道內(nèi)氣體流動(dòng)的研究方法的更快發(fā)展。小擾動(dòng)法和簡(jiǎn)單的容積法已不再被使用。有限體積法，有限差分法和特征線法等等這些新興的一維研究方法，慢慢地被應(yīng)用于現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬計(jì)算中。目前，各種各樣的方法都在不斷的發(fā)展和完善中。有研究者指出偏微分方程組在特定的條件下，特征線法是在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)和流場(chǎng)特種分析條件下轉(zhuǎn)化為一階全微分方程組，然后進(jìn)行求解的，此種方法具有一階精度的優(yōu)點(diǎn)，但特

12、征線法也有很多缺點(diǎn)，其中有質(zhì)量流量誤差較大。研究者對(duì)傳統(tǒng)的一維非定常流動(dòng)的模型進(jìn)行了改進(jìn)，并提出了廣義一維非定常流動(dòng)模型，基于原有控制體，考慮到了分支管的質(zhì)量添加段對(duì)結(jié)果的影響。通過(guò)有限容積法與特征線法相結(jié)合的混合模型，研究者分析了多種排氣系統(tǒng)，這在計(jì)算效率得到提高的同時(shí)質(zhì)量流量誤差也隨之降低。目前，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)一維數(shù)值仿真方面的研究，在國(guó)外，許多用于分析計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)性能的軟件己經(jīng)被開發(fā)出。并加以了應(yīng)用。masaski takizawa在有限差分法的基礎(chǔ)上開發(fā)出了實(shí)用程序；英國(guó)曼徹斯特理工學(xué)院(umist)的mkl4程序和西德波鴻一魯爾大學(xué)的mpb程序都采用了特征線法的原理進(jìn)行了管內(nèi)波動(dòng)研究； s

13、clow等人所開發(fā)使用的發(fā)動(dòng)機(jī)管設(shè)計(jì)cad軟件包，使用了圖形界面技術(shù)，使用者可以輸入管系的布置形式，程序可自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格的劃分；目前最新發(fā)展的商用發(fā)動(dòng)機(jī)模擬軟件gtpower和boost等則是以一維流體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，是一些運(yùn)用有限體積法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析發(fā)動(dòng)機(jī)性能的cfd軟件。1.2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)三維模型仿真發(fā)展及現(xiàn)狀近幾十年來(lái)，湍流理論發(fā)展的逐漸成熟，計(jì)算機(jī)技術(shù)也得到迅猛的發(fā)展，這使發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體流動(dòng)的模擬技術(shù)日益完善。在氣體流動(dòng)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究方面，國(guó)外作了大量實(shí)質(zhì)性的工作，并取得了很大進(jìn)展。近年來(lái)，研究者們?cè)诙喾N文獻(xiàn)中闡述了他們所開發(fā)的多維流動(dòng)模型理論。1984年gosman哺。和wal

14、kins等人計(jì)算了發(fā)動(dòng)機(jī)中的空氣流動(dòng)三維模擬，應(yīng)用了ks模型計(jì)算了一個(gè)軸對(duì)稱模型氣門，并作了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明，用標(biāo)準(zhǔn)ks模型得出的結(jié)果，在小氣門升程下，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得良好，然而在氣門大升程下，其紊動(dòng)能和平均速度均呈現(xiàn)較大的過(guò)預(yù)測(cè)。二十世紀(jì)八十年代，gosman和ahmed將有限容積法、粘體網(wǎng)格和ks湍流模型運(yùn)用到了軸對(duì)稱的進(jìn)氣道和閥門的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)，對(duì)其流動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量和多維數(shù)值模擬，結(jié)果表明：理想化和實(shí)際的進(jìn)氣道的流場(chǎng)預(yù)測(cè)精度并不高，所以需要有更能體現(xiàn)流動(dòng)特點(diǎn)的湍流模型。rdreitz等人修改了三維的數(shù)值模擬程序，對(duì)進(jìn)氣道一閥門一氣缸等復(fù)雜的幾何，應(yīng)用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分

15、程序kiva一3進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，而采用了“咬合法來(lái)處理氣門，對(duì)進(jìn)氣道內(nèi)的流動(dòng)，進(jìn)行了瞬態(tài)的三維數(shù)值模擬。通過(guò)使用商業(yè)軟件starcd以點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道以及氣缸為研究對(duì)象，wolf bauerl徊1等人預(yù)測(cè)了進(jìn)氣道內(nèi)的瞬態(tài)流動(dòng)特性進(jìn)行，并比較了所得數(shù)據(jù)和測(cè)量的瞬態(tài)氣體溫度，對(duì)進(jìn)氣過(guò)程的流動(dòng)狀況，特別是回流現(xiàn)象有了更深刻地認(rèn)識(shí)。tangwei kuo等人修改了己有的氣缸內(nèi)流動(dòng)的多維數(shù)值模擬程序kiva，運(yùn)用多維數(shù)值模擬計(jì)算了孔口一燃料一噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道一缸內(nèi)氣體流動(dòng)、燃料噴射、以及燃燒，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的ks模型，而對(duì)氣門采用了內(nèi)障技術(shù)，根據(jù)模擬結(jié)果，分析了進(jìn)氣道、閥門形狀、燃燒室形狀等參數(shù)

16、對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。1990年，sugiura等人對(duì)切向氣道一缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了三維模擬，計(jì)算中采用了分區(qū)禍合技術(shù)以及貼體網(wǎng)格生成技術(shù)生成網(wǎng)格。同年，danial等人做了單氣門氣道、雙氣門氣道、雙氣門帶渦流或紊流臺(tái)階的氣道三維數(shù)值模擬計(jì)算，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。近幾年來(lái)，國(guó)外的科研機(jī)構(gòu)對(duì)四氣門發(fā)動(dòng)機(jī)的氣道及缸內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，如德國(guó)的wunsche p1教授指出4氣門進(jìn)氣系統(tǒng)螺旋進(jìn)氣道與切向進(jìn)氣道的最佳匹配。日本的aoyagi yn21等學(xué)者發(fā)表了4氣門進(jìn)氣系統(tǒng)的渦流形成過(guò)程研究報(bào)告。bbasara等人，采用標(biāo)準(zhǔn)的ks模型，rngk一模型，非線性的ke模型，完全的雷諾應(yīng)力模型，對(duì)2個(gè)切向進(jìn)

17、氣道的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并將計(jì)算結(jié)果與lda實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，證明了在模擬進(jìn)氣道的流動(dòng)特性時(shí)，完全的雷諾應(yīng)力模型優(yōu)于其他的幾種簡(jiǎn)單模型。國(guó)內(nèi)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)氣體流動(dòng)方面的數(shù)值模擬研究起步較晚，主要是從20世紀(jì)80年代中后期開始的。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各高校在進(jìn)氣系統(tǒng)三維流動(dòng)特性數(shù)值模擬方面發(fā)表了一批具有研究深度和學(xué)術(shù)水平的博士論文和博士后研究報(bào)告，反映了我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)研究的進(jìn)展。華中科技大學(xué)的蔣鹽坤n31等人對(duì)化油器一進(jìn)氣管一缸內(nèi)系統(tǒng)的流場(chǎng)進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)均勻氣流進(jìn)入化油器后，速度迅速增加，進(jìn)氣管內(nèi)氣流波動(dòng)并呈現(xiàn)雙渦結(jié)構(gòu)。氣門盤下產(chǎn)生明顯的回流區(qū)，在進(jìn)氣門左、右兩側(cè)各形成一對(duì)反

18、向漩渦。羅馬吉1等人對(duì)多缸柴油機(jī)進(jìn)氣管管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)可壓縮湍流數(shù)值模擬。計(jì)算物理模型針對(duì)實(shí)際進(jìn)氣管形狀，湍流模型采用ks雙方程模型，進(jìn)出口邊界采用給定壓力邊界條件。以某一非增壓6缸柴油機(jī)進(jìn)氣管為例，對(duì)6分支管出口同時(shí)打開的情況獲得了速度場(chǎng)，揭示了進(jìn)氣管管內(nèi)流動(dòng)特性，為進(jìn)一步進(jìn)行各缸進(jìn)氣不均勻性分析奠定了基礎(chǔ)。方適應(yīng)n51等人用有限差分法和有限體積法分別對(duì)一臺(tái)自然吸氣3缸汽油機(jī)的進(jìn)氣流動(dòng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，兩種方法均可較好地模擬進(jìn)氣壓力波動(dòng)，沒有明顯的優(yōu)劣之分。對(duì)于進(jìn)氣系統(tǒng)中最為復(fù)雜的部分一一氣道的數(shù)值模擬方面的論文也比較多。如王海剛n叫等人對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣道和缸內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)

19、值模擬。周松n73等人利用simple方法，采用交錯(cuò)網(wǎng)格，對(duì)具有導(dǎo)氣屏結(jié)構(gòu)的內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣道的流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬的研究，分析了其流場(chǎng)分布的特點(diǎn)，得到了一些規(guī)律性的結(jié)論，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比。華中理工大學(xué)的楊文n陽(yáng)用simple方法在穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)一螺旋進(jìn)氣道的流動(dòng)情況進(jìn)行了三維模擬計(jì)算。楊文和吳承雄n們對(duì)穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)中螺旋進(jìn)氣道一氣門一氣缸內(nèi)三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算了渦流比和流量系數(shù)，分析了氣道形狀和氣門偏置對(duì)流場(chǎng)特征和渦流比的影響。計(jì)算結(jié)果表明，螺旋氣道斜坡段產(chǎn)生的氣流角動(dòng)量是氣流在氣缸內(nèi)形成旋流的主要原因。同時(shí)，也說(shuō)明流動(dòng)數(shù)值模擬可以獲得穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)中難得到的內(nèi)部流動(dòng)信息，從而為氣道設(shè)計(jì)提供有力

20、的依據(jù)。夏興蘭等人心們利用fsae賽乍發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)及流場(chǎng)特件分析starcd程序?qū)σ粚?shí)際柴油機(jī)產(chǎn)品進(jìn)氣道的氣體流動(dòng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，根據(jù)柴油機(jī)整機(jī)特性要求和模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)該氣道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的氣道能使發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能滿足歐1排放標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明了模擬計(jì)算的正確性。北京航空航天大學(xué)的李鋒心等人應(yīng)用任意拉格朗日一歐拉法(ale方法1編制的大型程序kiva3模擬了某四氣門汽油機(jī)的缸內(nèi)三維流動(dòng)過(guò)程，分析了汽油機(jī)的氣門形狀對(duì)缸內(nèi)空氣運(yùn)動(dòng)及缸內(nèi)滾流的影響，說(shuō)明這些研究結(jié)果可以為汽油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)及其氣門的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。北京理工大學(xué)的王樵婦21等人利用cfd計(jì)算軟件fluent，采用標(biāo)準(zhǔn)的k一占模

21、型，對(duì)具有一個(gè)進(jìn)氣道的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得出了進(jìn)氣門流量系數(shù)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析，證明了利用三維cfd來(lái)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門流量系數(shù)的可行性?？偟膩?lái)說(shuō)，多維數(shù)值仿真長(zhǎng)期以來(lái)主要集中在流場(chǎng)的數(shù)值模擬上，近年來(lái)，由于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的大量使用，使得網(wǎng)格的形狀可以很好的契合進(jìn)氣管道的復(fù)雜而又不規(guī)則的邊界，可進(jìn)行基于進(jìn)氣管與氣道真實(shí)結(jié)構(gòu)的仿真研究，其計(jì)算結(jié)果對(duì)進(jìn)氣管與氣道的設(shè)計(jì)有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。目前的研究大部分都己經(jīng)集中到了建立三維模型，然后進(jìn)行流場(chǎng)的分析，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化這一方向上。1.3 本課題研究的主要內(nèi)容本課題的具體內(nèi)容包括：1節(jié)氣門結(jié)構(gòu)參數(shù)的量取用游標(biāo)卡

22、尺量得長(zhǎng)安汽車491發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門的幾何尺寸，為幾何建模做準(zhǔn)備。2節(jié)氣門的三維幾何建模利用三維造型軟件solidworks2010建立1:1幾何模型3對(duì)節(jié)氣門進(jìn)行三維流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算和分析用gambit重新建立了不同節(jié)氣門開度（5%-100%每5%建立一個(gè)模型）下的仿真分析模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，借助計(jì)算流體力學(xué)(cfd)輔助內(nèi)燃機(jī)分析理論，利用三維流體計(jì)算軟件fluent對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門進(jìn)行了流場(chǎng)模擬。比較了不同節(jié)氣門開度下流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，質(zhì)量流量、節(jié)氣門出口速度，為發(fā)動(dòng)機(jī)的選型，噴油系統(tǒng)的匹配提供理論依據(jù)2 節(jié)氣門模型的建立本次仿真計(jì)算目的是考察節(jié)氣門在從開度為5%依次增大的過(guò)程中，比較不同開度下

23、的流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，質(zhì)量流量，流體速度的變化關(guān)系。圖1為節(jié)氣門實(shí)體。圖2為用solidworks建立的三維模型。 圖1 長(zhǎng)安491發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門 圖2 solidworks2010建的三維模型2.1 節(jié)氣門模型的描述（1） 質(zhì)量守恒方程 質(zhì)量手很定律是指控制體內(nèi)流體質(zhì)量的減少量應(yīng)等于從控制體凈流出的流體質(zhì)量 （1） 為流體密度，t為時(shí)間，u、v、w是速度矢量在x、y和z方向上的分量（2）動(dòng)量守恒方程 在慣性（非加速）坐標(biāo)系中i方向上的動(dòng)量守恒方程為： （2） 其中p是靜壓，是下面將會(huì)介紹的應(yīng)力張量，、分別為i方向上的 重力體積力和外部體積力，包含了其它的模型相關(guān)源項(xiàng)，如多孔介質(zhì)和自定義源項(xiàng)。 應(yīng)力張

24、量由下式給出： （3） （3）能量守恒方程 能量守恒的形式為 （4）其中是有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，是組分j的擴(kuò)散流量。上面方程右邊的前三項(xiàng)分別描述了熱傳導(dǎo)、組分?jǐn)U散和粘性耗散帶來(lái)的能量輸出。包括了化學(xué)反應(yīng)熱以及其它用戶定義的體積熱源項(xiàng)。在上面的方程中： （5）其中，h為理想氣體的焓。對(duì)于可壓縮性流動(dòng)，理想氣體定律的形式為： （6） 其中是操作條件面板中定義的操作壓力，p是相對(duì)于操作壓力的當(dāng)?shù)仂o壓，氣體常數(shù)r從輸入的分子量計(jì)算出來(lái)，溫度從能量方程中計(jì)算出來(lái)。 （4）能量損失 流體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，與固體周壁間會(huì)產(chǎn)生附著力，流體各質(zhì)點(diǎn)間有內(nèi)摩擦力，這些力對(duì)流體運(yùn)動(dòng)所呈現(xiàn)的阻礙作用就是流體的流動(dòng)阻力。根據(jù)流動(dòng)邊界是

25、否沿程變化，流動(dòng)阻力分為兩類沿程阻力hf和局部阻力hj 由于空氣是一種具有粘性的，可壓縮的流體，流過(guò)節(jié)氣門時(shí)，將產(chǎn)生沿程阻力損失和局部阻力損失，其中，沿程損失可由下式給出 （7） 其中，l為管長(zhǎng)，d為直徑，v為速度，為沿程損失系數(shù)，對(duì)層流流動(dòng)，；對(duì)于光滑管湍流，由blasaisus公式給出 （8）局部損失可由下式表示： （9）為局部阻力損失系數(shù)2.2 網(wǎng)格劃分 采用數(shù)值方法求解控制方程時(shí)，需將控制方程在空間區(qū)域上進(jìn)行離散，因此必須使用網(wǎng)格，根據(jù)節(jié)氣門實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在gambit里面導(dǎo)入三維模型空間的st格式，并對(duì)流場(chǎng)空間劃分體網(wǎng)格，在劃分體網(wǎng)格的時(shí)候，采用了網(wǎng)格自適應(yīng)方法，網(wǎng)格單元選擇tet/hy

26、bird，類型是采用tgrid，這樣劃分出來(lái)的網(wǎng)格在確保無(wú)負(fù)體積的情況下，以四面體網(wǎng)格為主，圖3是在gambit里面建立的模型網(wǎng)格圖，圖4為通過(guò)旁通的面（將通過(guò)出口中心平面且x=0的剖面定義的y-z面）網(wǎng)格的剖面圖，節(jié)氣門開度為4.5度。 圖3 模型網(wǎng)格圖 圖4 剖面網(wǎng)格圖 節(jié)氣門在20%開度以下，旁通打開，空氣將通過(guò)旁通和節(jié)氣門片的腔室流入節(jié)氣門后方，從20%開度開始，旁通關(guān)閉，空氣完全通過(guò)節(jié)氣門片腔室流入節(jié)氣門后方。2.2 邊界條件空氣進(jìn)口邊界空氣出口邊界壓力（pa）10132585000溫度（k）300300水力直徑（m）0.060.06湍流強(qiáng)度5%10%邊界條件是流體力學(xué)方程組在求解域

27、的邊界上，流體物理量應(yīng)滿足的條件，解決可壓縮流動(dòng)的主要難點(diǎn)在于速度、密度、壓力和能量之間的高度耦合。為準(zhǔn)確描述流場(chǎng)區(qū)域的可壓縮流動(dòng)，選擇邊界條件時(shí)，考慮到是可壓縮粘性流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)，采用了基于壓力修正的非耦合穩(wěn)態(tài)求解方法，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-模型及標(biāo)準(zhǔn)近壁面方程，壁面選用無(wú)滑移的固定壁面條件，對(duì)流體的入口和出口邊界，建立了相應(yīng)的壓力邊界條件，并加入了能量方程計(jì)算，主要設(shè)置了入口的駐點(diǎn)壓力和溫度，入口湍流強(qiáng)度和耗散率（用湍流強(qiáng)度、長(zhǎng)度尺度、水力學(xué)直徑和粘性比輸入），進(jìn)出口的主要參數(shù)設(shè)置如圖表1所示，節(jié)氣門進(jìn)口姐空濾器，忽略空濾器的阻力損失，設(shè)置進(jìn)口壓力總壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，出口設(shè)置為85000pa

28、，溫度在流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變化不大，設(shè)置為常溫。湍流強(qiáng)度出口比進(jìn)口強(qiáng)，所以湍流強(qiáng)度進(jìn)口設(shè)置5%，出口設(shè)置為10%。對(duì)速度使用守恒的亞松弛參數(shù)，松弛因子為0.2，壓力的亞松弛因子為0.1，使用simple算法。3 計(jì)算結(jié)果分析3.1 y-z平面的速度場(chǎng)開度（）y-z平面速度場(chǎng)開度（）y-z平面速度場(chǎng)4.5913.51822.52731.53640.54549.55458.56367.57276.58185.590圖5 y-z截面流速云圖從圖5是通過(guò)旁通的y-z截面從4.50到全開開度下速度場(chǎng)云圖，節(jié)氣門在20%開度下旁通閥開啟，從圖中可以看出，此時(shí)由于節(jié)氣門開度較小，氣體主要從旁通閥通過(guò)，氣體流速在

29、旁通閥內(nèi)達(dá)到最大流速，節(jié)流板前方會(huì)有大部分的低速區(qū)，并且在節(jié)氣門后方，由于旁通閥的作用，會(huì)形成較強(qiáng)的湍流，隨著節(jié)氣門開度的增大，節(jié)氣門前方的低速區(qū)逐漸變小。節(jié)氣門從20%開度開始，旁通閥關(guān)閉，氣體從節(jié)流板與節(jié)氣門壁面的間隙流過(guò)，隨著節(jié)氣門開度的逐漸加大，節(jié)氣門前方和后方的低速區(qū)逐漸減小，氣流最大流速逐漸增大，可以看出節(jié)流板對(duì)氣體的阻礙作用逐漸減小。3.2 y-z平面的壓強(qiáng)場(chǎng)4.522.54576.590圖6 y-z壓力云圖圖6為在節(jié)氣門部分開度下的y-z壓力云圖，從圖可以看出，節(jié)氣門開度為4.50時(shí)，旁通閥開啟，氣流基本通過(guò)旁通孔流出，節(jié)氣門前方的壓強(qiáng)很大，在靠近旁通入口的位置，壓強(qiáng)逐漸降低到

30、此開度下的最小值，氣流流出旁通孔，壓強(qiáng)又逐漸增大，極少量氣流流過(guò)節(jié)流板與壁面的縫隙，可以很清楚地觀察到氣流流過(guò)導(dǎo)致壓強(qiáng)的下降。在開度為22.50時(shí)，旁通孔關(guān)閉，氣流全部繞過(guò)節(jié)流板，此時(shí)旁通孔內(nèi)的壓強(qiáng)與節(jié)流板前方的基本一致，與4.50相比，節(jié)流板后方的壓強(qiáng)減小。在開度為450時(shí)，節(jié)流板前方的高壓區(qū)已經(jīng)很小，壓強(qiáng)整體下降。在開度為76.50時(shí)，整個(gè)節(jié)氣門壓強(qiáng)變得比較均勻，在截面變化的區(qū)域，壓強(qiáng)會(huì)變小。小開度時(shí)節(jié)氣門前后有較大的壓力差，壓力差越大說(shuō)明節(jié)流板對(duì)氣流的阻礙作用越大，壓力差隨著節(jié)氣門開度的增大而減小。流速大的位置壓力小。3.2 出口截面速度場(chǎng)4.522.54576.590 圖7 出口截面速

31、度云圖圖7是出口截面上節(jié)氣門部分開度下的流場(chǎng)對(duì)比圖，從圖中可以看出，在節(jié)氣門開度為4.50時(shí)，旁通閥處于開啟狀態(tài)，大部分氣流從入口經(jīng)過(guò)旁通閥，極少的氣流繞過(guò)節(jié)流板流到出口截面，此時(shí)節(jié)氣門出口截面的速度分布很紊亂，而且流速很低，對(duì)進(jìn)氣量會(huì)有較大影響。在節(jié)氣門開度為22.50時(shí)，旁通孔關(guān)閉，空氣全部繞過(guò)節(jié)流板到出口截面，出口截面流速開始有較明顯的分層，從壁面向節(jié)流板軸線移動(dòng)，速度逐漸減小，在節(jié)氣門開度為76.50時(shí)，氣流高速區(qū)已經(jīng)很大。隨著節(jié)氣門開度的逐漸加大，氣流高速區(qū)逐漸由貼近節(jié)氣門壁面附近向中心擴(kuò)大，流出出口截面的氣體流量也逐漸增大。在節(jié)流板后方會(huì)有低速區(qū)出現(xiàn)，隨著節(jié)氣門開度的增大，低速區(qū)逐

32、漸減小。圖7 出口截面平均速度圖7是節(jié)氣門從0到100%全開過(guò)程中，出口截面上的平均速度圖。從圖可以看出，出口截面的速度隨著節(jié)氣門開度的增大而逐漸增大。不難發(fā)現(xiàn)，在小開度時(shí)，速度變化量很小，隨著節(jié)氣門開度增大，節(jié)氣門對(duì)氣流運(yùn)動(dòng)的阻礙降低，中間開度范圍速度上升較快，大開度時(shí)，又變得平坦了。3.3 出口截面流量與平均流速表2 節(jié)氣門出口流量及平均流速表節(jié)氣門開度（0）出口截面流量（kg/s）平均速度（m/s）4.50.022019.67890.024318.25813.50.027619.052180.021318.43922.50.028720.687270.037524.51931.50.04

33、9127.312360.062731.55440.50.081636.177450.102142.78549.50.138354.045540.153456.87458.50.186167.3234630.217675.292867.50.262687.1159720.303197.675676.50.3137100.5019810.3535112.817785.50.3691117.5562900.3762120.1297圖8 出口截面流量圖 流量是反映單位時(shí)間內(nèi)流體通過(guò)一定截面積的量，可用下式表示 計(jì)算結(jié)果采用質(zhì)量流量，圖8可以看出隨著節(jié)氣門開度的增大，出口截面流量大體成增長(zhǎng)趨勢(shì)，小開度下

34、流量變化較小，甚至在旁通閥關(guān)閉的時(shí)刻，流量會(huì)有小幅度的降低，這是由于此時(shí)節(jié)流板對(duì)氣流的阻礙作用很大，節(jié)氣門開度的增大使流過(guò)節(jié)氣門腔的氣流量的增量，不足以彌補(bǔ)旁通閥關(guān)閉而使流量減小的量。汽油機(jī)在實(shí)際的工作過(guò)程中，是節(jié)氣門控制其負(fù)荷，所以要求隨著開度的增大，要求流量也隨之增大，根據(jù)分析結(jié)果，可以看出此節(jié)氣門并不符合設(shè)計(jì)要求，需要加以改進(jìn)。在中間開度時(shí)，流量隨節(jié)氣門開度的增大而迅速增加。大開度時(shí)，由于節(jié)流板對(duì)氣流的阻礙已經(jīng)很小，再增大開度，對(duì)流量影響較小，流量變化變得較平坦。4 結(jié) 論本次針對(duì)節(jié)氣門從5%開度到100%開度下的流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，通過(guò)仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論：1、 整個(gè)節(jié)氣門開度范圍

35、內(nèi)，節(jié)氣門的流速、流量都隨著開度的增加而增大，在開度從5%到20%的范圍內(nèi)，流速、流量變化很平坦，甚至在旁通閥關(guān)閉的時(shí)刻，會(huì)有小幅度的減小。隨著節(jié)氣門開度的逐漸增大，流量、流速會(huì)迅速地增大。但在大開度時(shí)，節(jié)氣門對(duì)空氣阻礙作用很小，二者又會(huì)變得平坦。2、 fluent計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性不僅與網(wǎng)格劃分有關(guān)，還與邊界條件的設(shè)置密切相關(guān)。本次計(jì)算結(jié)果并未通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，所以難免會(huì)降低其結(jié)果的真實(shí)性，所以有必要在今后的設(shè)計(jì)中加以改進(jìn)。3、 本次計(jì)算，獲得了對(duì)節(jié)氣門的流場(chǎng)特性較全面的認(rèn)識(shí)，對(duì)有針對(duì)性的配裝發(fā)動(dòng)機(jī)，有理論的指導(dǎo)意義。總結(jié)與體會(huì)今年一月份我開始了我的畢業(yè)論文的工作，從最初的迷惘。不知何處著

36、手，在老師的指導(dǎo)下，慢慢地進(jìn)入狀態(tài)，思路變得清晰，這個(gè)過(guò)程是無(wú)法用言語(yǔ)來(lái)表達(dá)的。經(jīng)過(guò)這幾個(gè)月的奮戰(zhàn)，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于有了成果，回想這段日子的經(jīng)歷，我真的感觸太多，畢業(yè)設(shè)計(jì)將會(huì)是我大學(xué)里最難忘的回憶之一。在這個(gè)三月初，在與導(dǎo)師的交流討論中我的題目定了下來(lái)：普通節(jié)氣門的流體分析。當(dāng)選題報(bào)告，開題報(bào)告定下來(lái)的時(shí)候，我當(dāng)時(shí)便立刻著手了資料的收集工作，找了太多的書，不同的渠道，論文，書籍等。東西太多，反而不知道如何下手了，我將這個(gè)迷惑告訴了老師，老師聽了后，按他的經(jīng)驗(yàn)給我推薦了一些很有價(jià)值的書，這些書在我設(shè)計(jì)的過(guò)程中給了我極大的幫助。經(jīng)過(guò)這幾個(gè)月的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)終于接近了尾聲，在這接近四個(gè)月的時(shí)間里，我

37、學(xué)到了很多，畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我們來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)具有重要的意義。第一，培養(yǎng)了我們有目的地搜集信息、整理信息，進(jìn)行信息加工的能力；第二，培養(yǎng)了我們的問(wèn)題意識(shí)，學(xué)會(huì)針對(duì)一個(gè)問(wèn)題或項(xiàng)目形成現(xiàn)狀調(diào)查、原因分析、改善建議的工作方式；第三，學(xué)會(huì)研究方案的設(shè)計(jì)、學(xué)會(huì)策劃自己，這是開題報(bào)告與任務(wù)書階段要達(dá)到的目的；第四，學(xué)會(huì)寫大材料，培養(yǎng)寫大材料所需要的明確主題、設(shè)計(jì)框架、前后呼應(yīng)、體系有邏輯、克服文不對(duì)題毛病、講話要有依據(jù)、論證要有說(shuō)服力、尊重別人知識(shí)產(chǎn)權(quán)等等思維能力和心理定勢(shì)；第五，提高綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決專業(yè)問(wèn)題的能力，畢業(yè)論文實(shí)際上也就是一場(chǎng)綜合性考試；第六，培養(yǎng)我們關(guān)注社會(huì)的人格品質(zhì)；第七，培養(yǎng)我們具備科學(xué)研究的

38、素養(yǎng)，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度、科學(xué)思維、掌握科研手段。當(dāng)然，關(guān)鍵落腳點(diǎn)還是培養(yǎng)我們的創(chuàng)新能力。本次設(shè)計(jì)我選的題目是節(jié)氣門的流體仿真，題目雖然不算新，但是對(duì)我以后的學(xué)習(xí)有巨大的指導(dǎo)意義。首先，我對(duì)設(shè)計(jì)的流程有了較為詳細(xì)的了解；其次，對(duì)軟件的熟悉為以后設(shè)計(jì)提供了更多的幫助。本次設(shè)計(jì)也發(fā)現(xiàn)了自己存在的很多問(wèn)題，包括理論知識(shí)的缺乏，解決問(wèn)題的能力等等，所以我還有很多地方需要學(xué)習(xí)，以前感覺自己什么都懂，有點(diǎn)眼高手低，通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我才明白學(xué)習(xí)是個(gè)不斷積累的過(guò)程，以前所學(xué)的都只是停留在表面，所以在以后的工作中都要不斷的學(xué)習(xí)，充實(shí)自己的大腦。這次畢業(yè)論文的制作給了我很難忘的記憶，因?yàn)樗屛业玫搅苏嬲哪ゾ?，腳踏實(shí)

39、地、實(shí)事求是的學(xué)習(xí)態(tài)度，不怕困難，堅(jiān)持不懈，吃苦耐勞的精神是我在這次設(shè)計(jì)中的最大的收益，我想這次意志的磨練，是對(duì)我實(shí)際能力的一次提升，也會(huì)對(duì)我未來(lái)的學(xué)習(xí)和工作有很大的幫助。在整個(gè)過(guò)程中，我學(xué)到了新知識(shí)，增長(zhǎng)了見識(shí)。在今后的日子，我仍然要不斷地充實(shí)自己，爭(zhēng)取在所學(xué)的領(lǐng)域有所作為看著自己畫出的三維圖，做的一個(gè)個(gè)流體分析，我真的感覺自己的努力得到了回報(bào)，當(dāng)然這離不開我的導(dǎo)師和同學(xué)們的幫助，是他們的細(xì)心指導(dǎo)讓我能夠成功完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書，在此我要向我的導(dǎo)師致以最衷心的感謝和深深地敬意。謝 辭在楊建軍老師的細(xì)心指導(dǎo)下，我順利的完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。楊老師以前到我我們做過(guò)實(shí)驗(yàn)，并且跟我們年齡差距比較小，所以跟

40、他都通起來(lái)很輕松。畢業(yè)設(shè)計(jì)選題的時(shí)候，楊老師根據(jù)我們每個(gè)人的興趣愛好，專業(yè)和找的工作的情況，給我們每個(gè)人都提出了寶貴的建議。我本次設(shè)計(jì)的題目是普通節(jié)氣門的流場(chǎng)仿真，我選擇這個(gè)題目是因?yàn)闂罾蠋熤敖o某家公司做過(guò)類似的課題，在我做設(shè)計(jì)的工程中，能得到更好的指導(dǎo)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，老師讓我們先合理地做規(guī)劃，確定每個(gè)階段該做的，在做的過(guò)程中一旦遇到問(wèn)題或瓶頸就主動(dòng)跟他聯(lián)系，老師會(huì)很耐心的指導(dǎo)我們，并和我們一起尋找解決方法。我設(shè)計(jì)的前階段主要是學(xué)習(xí)solidworks和fluent軟件，剛開始學(xué)軟件時(shí)間非常痛苦的事，經(jīng)常有一個(gè)部分不知道怎么畫了，或者在畫網(wǎng)格的時(shí)候網(wǎng)格出現(xiàn)問(wèn)題，如果沒有老師的指導(dǎo)，我畫的三維圖和做的分析就不會(huì)完成的那么順利。在每次開會(huì)的時(shí)候，老師都很有效率的給每一個(gè)同學(xué)提解決方案。就算有同學(xué)