基于CFD的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)_圖文

1、設(shè)計(jì)計(jì)算基于CF D 的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)彭北京鄧定紅胡軍峰胡景彥(浙江錢江摩托股份有限公司浙江溫嶺317500摘要:發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的氣體流動(dòng)特性復(fù)雜,影響發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率和換氣損失,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有重要的影響。在某水冷125mL 發(fā)動(dòng)機(jī)研制過程中,樣機(jī)性能測試表明,發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)要求,發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)存在缺陷。本文利用AVL -F I ER 軟件建立了原型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道CF D 模型,進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)CF D 分析和優(yōu)化。首先利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了原始?xì)獾烙?jì)算模型,并進(jìn)行優(yōu)化分析。計(jì)算結(jié)果表明,優(yōu)化后的進(jìn)氣道比原始進(jìn)氣道流量系數(shù)最大值增大了近21%。按優(yōu)化后的方案對(duì)原始?xì)?/p>

2、道實(shí)物進(jìn)行改進(jìn),樣機(jī)對(duì)比測試結(jié)果表明,按優(yōu)化后的方案改進(jìn)的氣道實(shí)測流量系數(shù)比原始?xì)獾涝龃罅?9%。關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道CF D AVL -F I ER中圖分類號(hào):412.44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-0630(200903-0040-04O pti m u m D esi gn of I n let A i r Core of Eng i n eby CF D TechnologyPeng Be iji n g,D eng D i n ghong,Hu Junfeng,Hu J i n gyanZhejiang Q ianjiang Mot orcycle Co .,L td .(W

3、 enling,Zhejiang,317500,China .Abstract:The gas fl owing characteristic of intake and exhaust syste m in engine is very comp lex .It could not only affect the volumetric efficiency and the gas exchange l oss,but als o has i m portant influence on the dyna m 2ic p r operty and econom ical efficiency

4、.During the devel opment of a ne w type 125cc water 2cooling engine,the sa mp le engine perf or mance test indicates that the integrity perf or mance has a gap comparing t o the original de 2sign require ments and the original design of intake passage has s ome defects .I n this passage,a CF D model

5、 of the p r ot oty pe engines intake gas passage was built using AVL -F I ER and a 3D steady CF D analysis and op ti 2m izati on were carried out .A t first,the original gas passage model was validated by the test result,then op ti 2mu m analysis basic on the model was p r ocessed .The calculati on

6、results show that the flux coefficient of the op ti m ized real passage is 21%larger than that of the original one;the original real passage was i m p r oved ac 2cording t o the op ti m ized s oluti on,and the contrasting test result shows that the flux coefficient is larger than the original one by

7、 19%.Keywords:Engine,I nlet air core,CF D ,AVL -F I ER引言在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)階段,性能參數(shù)是非常重要的考查指標(biāo),其中有很多參數(shù)都要進(jìn)行優(yōu)化,比如進(jìn)氣道、凸輪型線、壓縮比、進(jìn)氣管內(nèi)徑、化油器進(jìn)氣孔大小作者簡介:彭北京(1976-,男,大本,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)及分析。第38卷第3期2009年6月小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車S MALL I N TERNAL COMBUSTI O N ENGI N E AND MOT ORCYCLE Vol .38No .3Jun .2009等。如何對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化一直是發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)

8、、排氣系統(tǒng)的氣體流動(dòng)特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有重要的影響。進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其關(guān)鍵部位的尺寸對(duì)進(jìn)氣流動(dòng)影響很大,因此找到這些關(guān)鍵部位并合理地修改其結(jié)構(gòu)將是進(jìn)氣道改進(jìn)工作的重點(diǎn)1-3。傳統(tǒng)模式下對(duì)進(jìn)氣道的改進(jìn)方法主要是在進(jìn)氣道流量測試臺(tái)上反復(fù)的進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),時(shí)間周期長且有一定的盲目性4。利用CF D/Fire 技術(shù)可以對(duì)進(jìn)氣道的CAD模型進(jìn)行流場模擬并將其可視化,能更加直觀的顯示出流動(dòng)結(jié)構(gòu)的不合理之處,使進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)改進(jìn)更具有針對(duì)性。本公司全新設(shè)計(jì)、開發(fā)了一款水冷125mL發(fā)動(dòng)機(jī),樣機(jī)試制后進(jìn)行性能測試,發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能離設(shè)計(jì)目標(biāo)要求存在一定的差距。經(jīng)查找原因,發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道的原始設(shè)計(jì)不合

9、理,同時(shí)進(jìn)氣道的實(shí)物質(zhì)量也有些問題。為此,本文利用AVL-F I ER軟件建立了原型發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道CF D模型,對(duì)原型發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣道進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)CF D分析和優(yōu)化。1數(shù)學(xué)模型流體的控制方程是反映流體本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型,即反映流體的各個(gè)物理量之間的關(guān)系的微分方程和定解條件。流體的基本控制方程5通常包括質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程(Navier-St okes方程、能量守恒方程以及這些方程的定解條件。進(jìn)氣道內(nèi)的流動(dòng)屬于湍流流動(dòng),需要附加反映湍流特性的k-雙方程控制模型,得到描述進(jìn)氣道內(nèi)流動(dòng)區(qū)域特性的質(zhì)量、動(dòng)量、湍流動(dòng)能及其耗散率的偏微分方程組,然后對(duì)各瞬態(tài)未知量進(jìn)行雷諾平均,并寫成以下通用形

10、式:55t(+55x i(u i=55x i(D55x i+S(1式中:為密度,t為時(shí)間;xi為位移矢量在x、y和z方向上的分量;ui為速度矢量在x、y和z方向上的分量。2數(shù)值模擬計(jì)算2.1幾何模型的建立氣道的幾何模型是在Pr o/E中建立的。首先畫出氣道的軌跡線和剖面輪廓線,作為氣道的基本框架,再用邊界混合工具(Boundary blend t ools建立氣道曲面,最后將曲面內(nèi)填充成實(shí)體,得到氣道的幾何模型。為了使計(jì)算更好收斂,同時(shí)也為了使模擬計(jì)算更接近于氣道穩(wěn)流試驗(yàn)的真實(shí)狀態(tài),所定義的計(jì)算空間還包括穩(wěn)壓腔、進(jìn)氣道、進(jìn)氣門、進(jìn)氣門座圈、模擬氣缸套和燃燒室。其中在進(jìn)氣道入口所加的正方形穩(wěn)壓腔

11、的邊長為3d(其中d為進(jìn)氣道入口直徑,氣缸套長度取為2.5D(D為氣缸直徑,與試驗(yàn)用模擬氣缸套長度基本保持一致。2.2計(jì)算模型的建立及網(wǎng)格劃分由于計(jì)算空間的剖面和表面曲率變化復(fù)雜,因此合理的構(gòu)造計(jì)算空間的網(wǎng)格對(duì)計(jì)算的精度和收斂性都有極大的影響。本文采用分塊式網(wǎng)格劃分方法構(gòu)建計(jì)算空間的三維網(wǎng)格,對(duì)于形狀規(guī)則的穩(wěn)壓腔以及模擬氣缸套區(qū)域,全部采用結(jié)構(gòu)化的正六面體網(wǎng)格;對(duì)于形狀變化復(fù)雜的進(jìn)氣道、進(jìn)氣門、進(jìn)氣門座圈和燃燒室區(qū)域,采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。這種方法使網(wǎng)格的數(shù)量大大減少,增加了計(jì)算收斂的速度;同時(shí)保證了網(wǎng)格更能真實(shí)模擬實(shí)物狀態(tài),使計(jì)算精度更高。本文計(jì)算網(wǎng)格由AVL F I RE軟件6自動(dòng)網(wǎng)格

12、生成器F AME HY B I RD生成,為了保證計(jì)算精度,在氣門座圈及氣門密封面等部位最小網(wǎng)格尺寸為0.5mm,穩(wěn)壓腔網(wǎng)格最大尺寸為8mm,網(wǎng)格總數(shù)約為80萬,網(wǎng)格主要由六面體單元組成,另外還包括少量的五面體和四面體。圖1是原始進(jìn)氣道的計(jì)算模型 :圖1原始進(jìn)氣道的計(jì)算模型2.3計(jì)算的邊界條件為了與氣道穩(wěn)流試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確對(duì)比,并保證計(jì)算的收斂性,在AVL F I RE軟件中設(shè)定與氣道穩(wěn)流試驗(yàn)相一致的邊界條件:1進(jìn)口邊界采用總壓,其值為環(huán)境大氣壓,進(jìn)氣道壓差取2.5kPa;2根據(jù)上述壓差值設(shè)置出口靜壓,同時(shí)為了避免進(jìn)口和出口的總質(zhì)量流量在計(jì)算時(shí)發(fā)生太大的振蕩,初始?jí)毫Ρ仨毥频扔诔隹趬毫吔鐥l

13、件的壓力;3固定壁面邊界選擇絕熱無滑移,采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)邊界層進(jìn)行處理;14第3期彭北京等:基于CF D的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道優(yōu)化設(shè)計(jì)4不考慮氣缸套與流體之間的熱交換,在這里只激活需要求解的方程質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及標(biāo)準(zhǔn)k -方程(湍動(dòng)能和耗散率方程;5設(shè)定收斂準(zhǔn)則時(shí)收斂精度設(shè)為2×10-5,當(dāng)各方程迭代殘差均小于收斂精度時(shí),認(rèn)為計(jì)算收斂,設(shè)定最大迭代循環(huán)數(shù)為3000,計(jì)算結(jié)果以流量系數(shù)和滾流比值趨于穩(wěn)定判斷收斂。3進(jìn)氣道模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)驗(yàn)證3.1氣道流量試驗(yàn)?zāi)壳皻獾懒髁吭囼?yàn)臺(tái)比較權(quán)威的研究機(jī)構(gòu)是R i 2cardo 、AVL 、FE V 世界三大發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)公司和美國South

14、W est 研究院等。本文氣道流量試驗(yàn)采用的是AVL 氣道流量試驗(yàn)臺(tái),其最大特點(diǎn)是對(duì)滾流測量采用 激光多普勒(LDA 測速技術(shù)。該測量方法具有高精度、高重復(fù)性,對(duì)測量流場無任何干擾等特點(diǎn)。氣道試驗(yàn)開發(fā)通常分為兩個(gè)階段,前期試驗(yàn)用氣道模型采用芯盒模型,進(jìn)行氣道選型與優(yōu)化,在氣缸蓋設(shè)計(jì)完畢后再采用氣缸蓋直接進(jìn)行氣道流量試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)?；诓煌募俣l件,各大發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)公司都衍生出了各自氣道性能評(píng)價(jià)體系,其流量系數(shù)及滾流比計(jì)算方法各不相同,本文中所使用的是AVL 氣道性能評(píng)價(jià)體系。3.2原始進(jìn)氣道模型計(jì)算結(jié)果分析圖2是三維穩(wěn)態(tài)的流動(dòng)計(jì)算的速度剖面圖,從圖中可知,圓圈處就是氣體進(jìn)入氣缸的流動(dòng)分離劇

15、烈的地方,由于流動(dòng)分離,使得氣門與座圈之間的空間沒有得到完全利用,結(jié)果顯示流量系數(shù)只有0.5314(實(shí)測0.53,當(dāng)量流動(dòng)面積只有240mm 2,這對(duì)于高速的進(jìn)氣是十分不利的。 圖2原始進(jìn)氣道三維穩(wěn)態(tài)的流動(dòng)計(jì)算的速度剖面圖3.3原始進(jìn)氣道模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比原始進(jìn)氣道流量實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果最大流量系數(shù)為0.53,原始進(jìn)氣道模型CF D 計(jì)算分析結(jié)果最大流量系數(shù)為0.5314,這說明計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性7。同時(shí)可知該原始進(jìn)氣道的流量系數(shù)比通常認(rèn)為的理想值0.7差距比較大,說明原始進(jìn)氣道有很大的改進(jìn)余地。此外,從原始進(jìn)氣道三維穩(wěn)態(tài)的流動(dòng)計(jì)算的速度剖面圖中可以看出,在圖中的a 標(biāo)記部位

16、存在流動(dòng)分離區(qū)。4進(jìn)氣道模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析4.1對(duì)原進(jìn)氣道的改進(jìn)方案包括以下兩方面:1增大氣門座直徑,以便增加進(jìn)氣道的流通能力,提高高轉(zhuǎn)速下的充量系數(shù);2優(yōu)化進(jìn)氣道的形狀,以消除流動(dòng)分離現(xiàn)象。4.2改進(jìn)后進(jìn)氣道計(jì)算模型如圖3進(jìn)氣道根據(jù)上述方案改進(jìn)后重新進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)的流動(dòng)計(jì)算,其速度剖面圖見圖4,結(jié)果顯示,流動(dòng)分離區(qū)消除了;同時(shí)進(jìn)氣道流動(dòng)的當(dāng)量面積由原來的240mm 2增大到了330mm 2,增大了33%。改進(jìn)后的進(jìn)氣道流量系數(shù)最大值達(dá)到了0.64,比原始進(jìn)氣道流量系數(shù)最大值(0.53增大了近21%。圖3改進(jìn)后進(jìn)氣道計(jì)算模型按優(yōu)化后的方案對(duì)原始?xì)獾缹?shí)物進(jìn)行了改進(jìn),對(duì)改進(jìn)前后的氣道進(jìn)行了流量系數(shù)

17、對(duì)比測試,測試結(jié)果表明,按優(yōu)化后的方案改進(jìn)后的氣道實(shí)測流量系數(shù)達(dá)到0.63,比原始?xì)獾懒髁肯禂?shù)增大了19%。同時(shí)與計(jì)算優(yōu)化結(jié)果的流量系數(shù)0.64基本吻合,在此進(jìn)一步說明,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。圖4改進(jìn)后進(jìn)氣道三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)計(jì)算的速度剖面(下轉(zhuǎn)第46頁速度而采用長度短的數(shù)據(jù)類型所造成的誤差等,可以通過軟件方法來消除。3結(jié)語本文提出了一種基于高精度V/F型轉(zhuǎn)換器的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測量的方法。電路接口方便、抗干擾能力強(qiáng),在控制器計(jì)數(shù)輸入端加光電耦合器,實(shí)現(xiàn)控制器與外電路的電氣隔離,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。該方法簡單、實(shí)用、測量精度高,可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算,在實(shí)驗(yàn)測量中取得了

18、良好的效果,其測量結(jié)果可用于發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測、過渡過程的研究、發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷和閉環(huán)反饋控制等。參考文獻(xiàn)1章兼源.微機(jī)控制技術(shù)M.北京:電子工業(yè)出版社, 2003.2642702梁術(shù) ,徐增弟.汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)展望與研究開發(fā)動(dòng)向J.汽車工業(yè)研究,1994(5:31353童長飛.C8051F系列單片機(jī)開發(fā)與C語言編程M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.4034214Du Hai p ing.Acquisiti on and p r ocessing of an engine instan2taneous r otati onal s peed pulse signalJ.Pr oceedin

19、gs of the19993rd I nternati onal Sy mposiu m on Test and Measure2ment,1999Xian,China,I nt Acad Publ,1999(收稿日期:2008-08-18(上接第42頁4.3改進(jìn)后進(jìn)氣道與原始進(jìn)氣道流量系數(shù)對(duì)比結(jié)果(見圖5參考直徑:原機(jī)取23.5mm,新進(jìn)氣道25.6mm。圖5改進(jìn)后進(jìn)氣道與原始進(jìn)氣道流量系數(shù)對(duì)比結(jié)果5結(jié)論1發(fā)動(dòng)機(jī)氣道內(nèi)部流動(dòng)是復(fù)雜的三維粘性流動(dòng),其內(nèi)部存在著諸如漩渦、流動(dòng)分離等復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象。本文利用AVL F I RE建立了某型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道的復(fù)雜三維流動(dòng)穩(wěn)態(tài)仿真模型。2原始進(jìn)氣道流量實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果,最大流量系數(shù)為0.53,原始進(jìn)氣道模型CF D計(jì)算分析結(jié)果最大流量系數(shù)為0.5314,這說明仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。3改進(jìn)后進(jìn)氣道與原始進(jìn)氣道流量系數(shù)對(duì)比結(jié)果表明,改進(jìn)后的進(jìn)氣道流量系數(shù)最大值達(dá)到了0.64,比原始進(jìn)氣道流量系數(shù)最大值(0.53增大了近21%。同時(shí)流動(dòng)分離區(qū)也得到消除,進(jìn)氣道流量系數(shù)的大幅增加,使進(jìn)氣道的流通能力大大增強(qiáng),高轉(zhuǎn)速下的充量系數(shù)將得到較大的提高。4按優(yōu)化后的方案對(duì)原始?xì)獾缹?shí)物進(jìn)行了改進(jìn),對(duì)