發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)熱流體分析

1、1發(fā)動(dòng)機(jī)熱流體分析發(fā)動(dòng)機(jī)熱流體分析Engine Thermal Fluids Analysis2一、熱流體分析概述一、熱流體分析概述二、熱流體分析方法二、熱流體分析方法三、關(guān)鍵問(wèn)題及難點(diǎn)三、關(guān)鍵問(wèn)題及難點(diǎn)四、氣動(dòng)噪聲分析基礎(chǔ)四、氣動(dòng)噪聲分析基礎(chǔ)3 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 熱流體分析目的 熱流體分析內(nèi)容41. 進(jìn)排氣系統(tǒng) 氣缸/燃料電池堆 渦輪增壓/空壓機(jī)、EGR2. 熱系統(tǒng) 冷卻水套、水泵、溫控閥、散熱器 風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、車身 空調(diào)系統(tǒng)3. 燃油系統(tǒng) 單體泵系統(tǒng) 共軌供油系統(tǒng)4. 潤(rùn)滑系統(tǒng) 機(jī)油冷卻器 機(jī)油泵和其它部件 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)5熱流體分析目的 提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能 動(dòng)力性：功率、轉(zhuǎn)矩 經(jīng)濟(jì)性：燃油消耗率 排

2、放、噪聲、冷起動(dòng) 可靠性、耐久性6熱流體分析內(nèi)容研究發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)工質(zhì)的流動(dòng)、傳熱、能量轉(zhuǎn)換過(guò)程等在時(shí)間空間域中的變化規(guī)律，系統(tǒng)輸入變量與輸出變量的相互關(guān)系，各種因素對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。7一、熱流體分析概述一、熱流體分析概述二、熱流體分析方法二、熱流體分析方法三、關(guān)鍵問(wèn)題及難點(diǎn)三、關(guān)鍵問(wèn)題及難點(diǎn)四、氣動(dòng)噪聲分析基礎(chǔ)四、氣動(dòng)噪聲分析基礎(chǔ)8 理論基礎(chǔ) 物理數(shù)學(xué)建模 數(shù)值計(jì)算9理論基礎(chǔ) 發(fā)動(dòng)機(jī)熱流體力學(xué) 工程熱力學(xué) 流體力學(xué) 傳熱學(xué) 發(fā)動(dòng)機(jī)原理10 熱力學(xué)第二定律：熱力過(guò)程的方向、條件和限制 熱力學(xué)第一定律：能量轉(zhuǎn)換的守恒關(guān)系 工程熱力學(xué) Engineering Thermodynamicssqhw 1

3、2,x Ix Qx Hx Houteeeew 熱力學(xué)第三定律：熵的基準(zhǔn)點(diǎn)選擇與絕對(duì)熵的計(jì)算 0lim()0TS11 動(dòng)量方程：動(dòng)量守恒 連續(xù)方程：質(zhì)量守恒 流體力學(xué) Fluid Mechanics 能量方程：能量守恒（熱力學(xué)第一定律） 0vt2113DvfpvvDt 12 Newton公式：對(duì)流換熱 Fourier定律：導(dǎo)熱 傳熱學(xué) Heat Transfer StefanBoltzmann定律：熱輻射 ( )qt grad()wfqh tt4bET13 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出與能量利用 發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)、燃燒與傳熱 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣管流動(dòng)與傳熱 廢氣渦輪增壓、EGR 發(fā)動(dòng)機(jī)排放和噪聲 發(fā)動(dòng)機(jī)原理 Engi

4、ne Fundamentals14物理數(shù)學(xué)建模 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn) 單元過(guò)程、再循環(huán)結(jié)構(gòu) 分布參數(shù)、工作過(guò)程復(fù)雜相互影響 剛性、非線性、多變量多回路 物理建模：對(duì)實(shí)際系統(tǒng)和流動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。 系統(tǒng)分解、過(guò)程分離 集總參數(shù)化、三維建模 數(shù)學(xué)模型確定熱流體動(dòng)力學(xué)方程及定解條件。（對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行熱流體分析研究，必須首先建立描述該系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，即系統(tǒng)的一次建模過(guò)程）。15數(shù)值計(jì)算 建立了描述發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程數(shù)學(xué)模型，將其轉(zhuǎn)換為能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的仿真模型，才能進(jìn)行熱流體仿真分析。該轉(zhuǎn)化過(guò)程也稱為系統(tǒng)的二次建模過(guò)程。 容積法：忽略管內(nèi)非定常壓力波動(dòng) 小擾動(dòng)法：限制壓力脈動(dòng)大小 特征線法：偏微分方

5、程轉(zhuǎn)為常微分方程 有限體積法：偏微分方程16一、熱流體分析概述一、熱流體分析概述二、熱流體分析方法二、熱流體分析方法三、關(guān)鍵問(wèn)題及難點(diǎn)三、關(guān)鍵問(wèn)題及難點(diǎn)四、氣動(dòng)噪聲基礎(chǔ)四、氣動(dòng)噪聲基礎(chǔ)17 非定常旋渦流動(dòng)，是發(fā)動(dòng)機(jī)熱流體及性能分析的關(guān)鍵問(wèn)題與難點(diǎn)。非定常流是指任意變換參考系，其流場(chǎng)的物理量均隨時(shí)間而變化的一類流動(dòng)。旋渦是指流場(chǎng)中渦量相對(duì)集中的有限區(qū)域。18目前發(fā)動(dòng)機(jī)性能或工作過(guò)程的模擬研究，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理研究有待深入，分析得出的結(jié)果會(huì)和實(shí)際結(jié)果有一定差異。比如氣動(dòng)噪聲分析，涉及復(fù)雜的波渦相互作用，而當(dāng)前內(nèi)燃機(jī)的噪聲分析主要應(yīng)用古典聲學(xué)理論進(jìn)行分析，難以有效指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)。19 非定

6、常粘性流 非定常湍流 渦量的產(chǎn)生、擴(kuò)散與耗散 湍流中的渦結(jié)構(gòu) 波渦相互作用20非定常粘性流 一類是外來(lái)擾動(dòng)下粘性流的響應(yīng)。比如渦輪增壓器葉片的旋轉(zhuǎn)、氣缸活塞運(yùn)動(dòng)等引起，可歸結(jié)為邊界條件變化而引起的動(dòng)力學(xué)變化。另一類是流動(dòng)自身生成的，即使邊界條件不變，也會(huì)產(chǎn)生非定常流動(dòng)現(xiàn)象。自由剪切層、噴流、邊界層的不穩(wěn)定和轉(zhuǎn)捩、流動(dòng)分離和旋渦脫落、旋渦穩(wěn)定性和破裂、湍流有關(guān)流動(dòng)等均是此類流動(dòng)。21非定常湍流 非定常湍流的定義本身是含混的，因?yàn)橥牧鞯幕咎匦允欠嵌ǔ５?，且非定常性還取決于如何平均。目前的湍流模型，均是基于所謂定常湍流，即邊界情況均不隨時(shí)間變化，更不施加任何外擾動(dòng)，流動(dòng)中所存在的隨機(jī)性的非定常脈動(dòng)

7、是由流動(dòng)本身產(chǎn)生的。湍流應(yīng)力包括兩個(gè)方面，經(jīng)典隨機(jī)脈動(dòng)所產(chǎn)生的雷諾應(yīng)力，以及有序脈動(dòng)的非線性貢獻(xiàn)。22渦量的產(chǎn)生、擴(kuò)散與耗散 旋渦（集中渦）的生成、發(fā)展和演化過(guò)程，以及旋渦與流動(dòng)和物體之間的相互作用，支配和決定著整個(gè)流場(chǎng)特性和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。渦量是流動(dòng)的一個(gè)基本物理量；旋渦是流動(dòng)的一種基本形態(tài)；旋渦又是湍流的一種基本結(jié)構(gòu)；另外，在處理流體力學(xué)問(wèn)題時(shí)，渦又是一種基本解。旋渦是流體運(yùn)動(dòng)的肌腱。23旋渦運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和渦破裂 對(duì)基本流動(dòng)施以小擾動(dòng)（實(shí)際中不可避免），隨著時(shí)間的推移，這些擾動(dòng)可能會(huì)衰減掉，也可能保持原先的大小，或者持續(xù)增長(zhǎng)，分別稱上述三種情況為流動(dòng)穩(wěn)定、流動(dòng)中性穩(wěn)定和流動(dòng)不穩(wěn)定。旋渦穩(wěn)定性

8、和環(huán)量分布有關(guān)，引起旋渦運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)的物理機(jī)制是離心力的作用。旋渦破裂現(xiàn)象具有三個(gè)最本質(zhì)的特征：在旋渦軸線上形成駐點(diǎn)，在駐點(diǎn)之后有限范圍內(nèi)存在回流區(qū)，渦核突然膨脹。24 旋渦破裂現(xiàn)象最本質(zhì)的特性是其結(jié)構(gòu)上的突然變化，是一種高度非線性現(xiàn)象。旋渦破裂有利有弊。如，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)，空氣由切向進(jìn)氣，形成旋渦，發(fā)生破裂后，會(huì)形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的回流區(qū)，增加了與燃油的混合，形成一個(gè)很好的火焰支持器，有利于改善燃燒室的性能。但在繁忙的航空港上空，飛機(jī)起降頻繁，前方飛機(jī)拖出的強(qiáng)有力尾渦，對(duì)緊隨其后的飛機(jī)安全是一個(gè)很大威脅。25湍流中的渦結(jié)構(gòu) 旋渦對(duì)湍流研究有重要意義，流動(dòng)中不同尺度和指向的旋渦相互作用，構(gòu)成了

9、湍流運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜圖像。湍流中各種旋渦的尺度有很大區(qū)別，相對(duì)小的渦結(jié)構(gòu)是一些復(fù)雜而紊亂的隨機(jī)結(jié)構(gòu)，而相對(duì)大的渦結(jié)構(gòu)則是相當(dāng)有規(guī)律的。稱這些存在于湍流中相對(duì)有規(guī)律的結(jié)構(gòu)為相干結(jié)構(gòu)Coherent Structure，或稱為擬序結(jié)構(gòu)。26氣流傳熱、燃燒與化學(xué)反應(yīng)、流動(dòng)噪聲、物體受力等，均與湍流中的旋渦和擬序結(jié)構(gòu)有關(guān)。27波渦相互作用 流場(chǎng)中常見(jiàn)的波有兩類，即縱波和橫波?？v波為聲波形式的脹壓波，它以膨脹和壓縮的過(guò)程通過(guò)正應(yīng)力作用進(jìn)行能量傳播；橫波是通過(guò)剪切力作用而進(jìn)行能量傳播，即為渦量波。感受性：在一定條件下，聲波和渦量波可以相互轉(zhuǎn)化。如入射聲波與不穩(wěn)定渦波共振放大發(fā)射聲波。28 整流：受激渦波的振蕩分

10、量，它的非零時(shí)均效應(yīng)，類似于電學(xué)中的交流變直流，流體中的時(shí)均定常流成為整流。一個(gè)線性波不會(huì)有整流。關(guān)鍵在于，流場(chǎng)的波總是非線性的，只要兩個(gè)諧波項(xiàng)的相位差不是90度，其乘積一定導(dǎo)致一項(xiàng)整流。這是粘性中最有趣、最重要的現(xiàn)象之一，也是波渦相互作用最有應(yīng)用價(jià)值的效應(yīng)之一。29 波渦共振：如果強(qiáng)制波（如聲波）的頻率為渦中不穩(wěn)定波頻率（自然頻率）或其1/2、1/3、1/4倍，則可能導(dǎo)致共振。如果這時(shí)的頻率又恰好與獲得最大整流的頻率一致，則會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)的共振整流。分析流場(chǎng)中的波渦共振及其共振整流，對(duì)用強(qiáng)制波來(lái)調(diào)控渦有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。30v目前發(fā)動(dòng)機(jī)性能或工作過(guò)程的模擬研究，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際復(fù)雜流動(dòng)機(jī)理研究有待深入

11、，分析得出的結(jié)果會(huì)和實(shí)際結(jié)果有一定差異。v非定常旋渦流動(dòng)，是發(fā)動(dòng)機(jī)熱流體和性能分析的關(guān)鍵問(wèn)題與難點(diǎn)。v非定常湍流、湍流中的渦結(jié)構(gòu)、旋渦的穩(wěn)定性與破裂、波渦相互作用等發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，影響發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的流動(dòng)過(guò)程、傳熱過(guò)程和能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，并且是構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)流動(dòng)噪聲的重要因素。31一、熱流體分析概述一、熱流體分析概述二、熱流體分析方法二、熱流體分析方法三、關(guān)鍵問(wèn)題及難點(diǎn)三、關(guān)鍵問(wèn)題及難點(diǎn)四、氣動(dòng)噪聲基礎(chǔ)四、氣動(dòng)噪聲基礎(chǔ)32發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)噪聲運(yùn)動(dòng)介質(zhì)對(duì)流體發(fā)聲的影響風(fēng)扇/渦輪增壓器噪聲渦生理論33發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)噪聲 排氣噪聲 進(jìn)氣噪聲 風(fēng)扇噪聲 渦輪增壓器噪聲特點(diǎn)：聲波在運(yùn)動(dòng)介質(zhì)中傳播，流場(chǎng)為復(fù)雜的非定常旋

12、渦湍流流動(dòng)。34運(yùn)動(dòng)介質(zhì)對(duì)流體發(fā)聲的影響 古典聲學(xué)基本方程： 聲波在靜止流場(chǎng)中傳播。2202201qppfctt 35 氣動(dòng)聲學(xué)基本方程： Lighthill方程 聲波在運(yùn)動(dòng)流場(chǎng)中傳播。2222002ijijijTDcDy yy y 20()ijijijijTuuepc36風(fēng)扇/渦輪增壓器噪聲風(fēng)扇/渦輪增壓器氣動(dòng)噪聲可分為兩大類，即旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲主要來(lái)源，一是風(fēng)扇葉片周期性打擊周圍氣體，引起周圍氣體壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生噪聲，二是氣流流過(guò)葉片后，在葉片尾緣處形成尾跡，尾跡周期性作用于周圍氣體，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)而形成噪聲。渦流噪聲的產(chǎn)生根源是壓力隨機(jī)脈動(dòng)，主要有來(lái)流紊動(dòng)、二次渦流、附面層隨機(jī)脈

13、動(dòng)以及邊界層分離等。37風(fēng)扇/渦輪增壓器氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)： FWH方程220( )( )ijiijinplffx xxVfft 38渦聲理論 Lighthill氣動(dòng)聲學(xué)基本理論最關(guān)鍵的一步是假定由流體產(chǎn)生的聲源是預(yù)先知道的（即所謂“擬聲源”假設(shè)），然后由不同的方法（試驗(yàn)或數(shù)值）方法得到流場(chǎng)解和聲場(chǎng)解。 由于主管流場(chǎng)和聲場(chǎng)的基本方程一致，理論上可直接從方程得到流場(chǎng)解和聲場(chǎng)解。將流場(chǎng)和聲場(chǎng)人為地分開后，就不能回答諸如聲場(chǎng)與流場(chǎng)如何相互作用，聲波能量在流體中如何產(chǎn)生、傳遞等基本問(wèn)題。所以， Lighthill理論實(shí)際上為一種“黑箱”理論。39 聲波的產(chǎn)生同流體中地旋渦與勢(shì)流、以及旋渦之間的相互作用有密切關(guān)系，聲波能量的形成、轉(zhuǎn)換也是通過(guò)這些非線性相互作用來(lái)完成的。 渦聲方程：Powell方程222022201()()(22ppctuuppct uu40 在低馬赫數(shù)情況下，忽略高階小量，簡(jiǎn)化為22201 ()ppct uPowell方程進(jìn)一步揭示了渦與聲的關(guān)系?？梢钥闯觯诹魉俸艿偷那闆r下，僅僅存在渦的地方才會(huì)產(chǎn)生聲音。渦是流體運(yùn)動(dòng)的肌腱，渦是流動(dòng)的聲音。41v古典聲學(xué)方程：聲波在靜止流場(chǎng)中傳播的基本方程。目前發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)研究，主要