柴油機工作過程數值模擬與實驗研究分析 車輛工程專業(yè)

ⅡⅡ柴油機工作過程數值模擬與實驗研究分析車輛工程專業(yè)摘要在闡述中冷器類型、結構中，介紹了高效換熱器、板翅式換熱器的結構原理。對東風朝柴CY4100ZLQ增壓發(fā)動機估算出增壓后溫度、空氣質量流量及增壓比，計算出了增壓空氣在中冷器處的進口流量及進口溫度。然后再根據風扇所產生的冷空氣流量，環(huán)境溫度及中冷器出口溫度，計算出中冷器需要散失的熱量，再去確定中冷器的傳熱系數，同時對壓力損失、增壓溫度、散熱面積進行校核。使用PROE軟件繪制中冷器的機器零件的設計,利用商業(yè)CFD軟件Fluent在前處理器策略定義中冷器的邊界條件,然后導入Fluent的軟件設置邊界條件,模擬計算和結果分析,最終確定中冷器的優(yōu)化方向和優(yōu)化措施關鍵詞：實驗；柴油機；冷器數值模擬；設計ⅢABSTRACTInthecoldtraptypes,structure,highefficiencyheatexchangerareintroduced,thestructureprincipleofplate-finheatexchanger.OfdongfengtowardthewoodCY4100ZLQturboenginetemperatureafterestimatethepressurization,airmassflowrateandpressureratio,calculatedthepressurizedairintheheartoftheinletflowandinlettemperature.Then,accordingtothefanairflowgeneratedbytheenvironmenttemperatureandinter-cooledoutlettemperatureandcalculatethecoldneeddissipatingheat,todeterminethecoldmachine,heattransfercoefficientofboostertothepressurelossatthesametime,temperature,heatdissipationareaforchecking.UsingProesoftwaretomapthecoldmachinepartsofthedesign,usingthecommercialCFDsoftwareFluentinfrontprocessorGambittodefinetheinter-cooledmeshing,boundaryconditions,andthenimporttheFluentsoftwaretosetboundaryconditions,simulationcalculationandresultanalysis,finallydeterminetheinter-cooledoptimizationdirectionandoptimizationmeasures.Keywords:experiment;Dieselengine;Coolernumericalsimulation;designⅣ

目錄誠信聲明Ⅰ摘要…………………ⅡAbstract……………….Ⅲ第一章前言………………………1研究背景……………………..11.2研究目的及意義……………...11.3研究現狀……………………...21.3.1工作過程模擬的研究………………….21.3.2內燃機高原工作性能的研究現狀…….4第二章柴油機中冷器的CFD模擬優(yōu)化…………………62.1CFD技術在管翅式換熱器設計開發(fā)方面的優(yōu)越性………62.2管翅式中冷器的CFD設計…………………62.2.1中冷器的建模……….62.2.2網格劃分…………….82.3數值建模型的建立………….91.網格劃分…………………92.差分方程的建立………...113.差分方程求解…………...152.4結果分析……………………17結論………………….18參考文獻……………19致謝………………….201隨著高速和大容量計算機的出現和迅速發(fā)展,建立工作機制和柴油機和適合模型的計算結果,可以更好地預測柴油機的性能,并且可以在短時間內進行廣泛研究的變量參數,開發(fā)新的引擎和改善舊發(fā)動機的性能,還可以降低成本,縮短測試時間,節(jié)省大量人力物力。對于柴油機工作過程數值模擬計算來說，經歷了由單純放熱計一算開始，從零維到準維、從準維到多維模型的研究和發(fā)展過程。含有若干個修正系數的經驗或半經驗的常微分方程或代數方程，描述發(fā)動機缸內燃燒過程，并輔以熱力學基本方程、理想氣體狀態(tài)方程和初始條件來模擬發(fā)動機燃燒過程，nitially人從一開始簡單的純熱量計算,根據測量氣缸壓力示功圖估計實際的柴油機放熱規(guī)律。隨后出現了零維模型ni；它假設燃燒室內各物理量(壓力.溫度、等效空氣燃料比)均勻分布的空間,工作介質在瞬間達到熱平衡,符合理想氣體狀態(tài)方程,這一假設的條件下,計算出內燃機缸,溫度、氣體壓力在燃燒熱釋放率等性能參數。零維模型是通過熱力學和熱釋放率經驗公式,它可以預測發(fā)動機的性能,但在對排放量的預測,尤其是氮氧化物的形成和零維模型是不夠的。預測氮氧化物生成必須知道當地的溫度、壓力、燃燒室和空氣燃料比。因此,人們的模擬燃燒室噴或火焰分為幾個區(qū)域,用來計算當地的溫度、壓力和濃度在地區(qū)內。從研發(fā)到燃燒室作為一個整體將模擬燃燒室的不同區(qū)域,燃燒模型的進一步發(fā)展。燃燒室被劃分為多個區(qū)域，稱為準維多區(qū)燃燒模型。由于地區(qū)之間不同的參數,在某種程度上,它反映了缸內參數隨空間的變化。柴油機燃燒主要由燃料和空氣混合,控制噴霧的燃料和空氣混合物決定發(fā)動機燃燒室溫度和化工產品。準維燃燒模型,在此基礎上,分為噴霧燃燒過程,夾雜空氣,燃燒,等,和相應的模型來描述發(fā)動機的燃燒過程。常微分方程的零維和準維模型,具有簡單的優(yōu)點,計算時間短,但對許多因素的過程中通過經驗或半經驗公式計算處理、性能預測相當隨意。此外,污染物的形成和與當地有很多因素,如壓力、溫度、同質性假設,不利于理解缸的具體過程和工作過程的優(yōu)化。1980年代后,隨著計算機的發(fā)展,性能和計算流體動力學的發(fā)展,更復雜的多維模型,其中包括柴油發(fā)動機汽缸的描述傳熱、傳質、動量傳遞和化學動力學的偏微分方程。多維模型試圖完全描述內燃機工作過程的理論,為了更接近理論計算和實際的工作過程中,它幾乎包括所有已知的因素,因此是更復雜的。由于湍流的本質在柴油機燃燒過程中,細節(jié)理解排放的形成機制尚不完善,尤其是計算機的計算速度不能跟進,維度模型并不在柴油機工作過程進行模擬計算。為了掌握柴油機的整體性能,柴油機數值模擬是非常必要的。本文采用一維模型模擬計算。一維模型是整個系統(tǒng)被視為一維管路系統(tǒng)的柴油引擎,除了在系統(tǒng)參數r(陰)或曲柄角隨時間變化,還從一維坐標x。1.3.2柴油機高原工作性能的研究現狀柴油機的高原特性試驗不僅可以在不同高度場條件下的實驗,也可以通過固定高度模擬艙不同大氣條件下封閉測試?，F場試驗,一般是一個內燃發(fā)動機為研究對象,從平原到高原,沿著不同的高度的性能測試,得到權力的柴油機在不同大氣條件下,燃料消耗、性能指標等,由此產生的性能指標符合實際情況。但現場試驗需要花費大量的人力、物力和時間,并且常常局限于地理和自然條件,很難建立符合要求的測試的物理參數和試驗條件,大偏差的可能性比較大。模擬艙,它可以部分地克服這個困難。但模擬高原環(huán)境還需要花大量的資金和人力和物質資源。雖然大氣模擬試驗臺是非常昂貴的,但由于地理、青藏高原目前國內外許多科研單位有不同規(guī)格的印章作為柴油機艙室大氣模擬試驗臺。，現在以國外BWM動力系統(tǒng)設計部研制的不同海拔高度氣候、全天候全封閉的大氣模擬試驗臺，為例來說明大氣模擬試驗臺。BWM不同海拔高度氣候模擬試驗臺。BWM動力系統(tǒng)設計部研制的兩臺不同海拔高度氣候試驗臺可在較寬的范圍內就環(huán)境參數一一氣壓、空氣濕度及環(huán)境溫度進行試驗。表1一1為試驗臺所能模擬的環(huán)境條件。安裝兩個試驗機2層建筑,底層控制和共享之間兩個試驗,其布局如圖1所示。由兩個試驗機位于監(jiān)控中心的控制室通過持續(xù)的監(jiān)控攝像頭,機器測試通過傳輸通道進入前廳的密封試驗臺后發(fā)送。所有輔助設備和氣候模擬設備,包括試驗臺工作電源設備、環(huán)境模擬設備(壓力、溫度、濕度)、開關、控制、調整裝置位于頂層。表1-1BwM海拔高度及氣候模擬試驗臺工作特性參數可以全面、完整的試驗臺模擬條件在不同的高度,控制精度和自動化精度高,但實驗室是昂貴的,每個測試的成本也大,不適合我國的國情。因此,田間試驗精度高但花費大,難操作,高原特征模擬實驗是彌補的一部分田間試驗的缺點,它仍然需要一個更大的問題。和模擬計算方法研究柴油機的高原性能更方便快捷,低成本的優(yōu)勢,快速效應和大氣條件下可以模擬任意高度。本文的工作是建立機車柴油機機,一個一維模型的多缸柴油機性能分析和研究工作,為柴油機可以在高原的惡劣環(huán)境下正常工作第二章柴油機中冷器的CFD模擬優(yōu)化增壓中冷系統(tǒng)對柴油機的動力性、經濟性和環(huán)保具有重要的貢獻。因此在車用柴油機上得到了普遍應用。因為我們國家在汽車柴油機增壓中冷技術的發(fā)展起步較晚,對于設備的設計還沒有形成一套完整的理論,冷的性能評價方法還沒有形成一個統(tǒng)一的標準。因此,在寒冷的在產品開發(fā)過程中,常常需要進行大量的匹配實驗整個機器,導致開發(fā)周期和成本的增加,不能滿足增壓中冷應用程序的需求?，F在國際流行的設計,研究方法主要是利用計算機模擬,設計首先,然后實驗驗證。這可以極大地縮短產品開發(fā)設計周期,降低開發(fā)成本。本文設計研究臺渦輪增壓中冷柴油機的使用一般商業(yè)CFD(計算流體力學、計算流體動力學CFD)軟件流暢,虛擬設計和開發(fā)。2.1CFD技術在管翅式換熱器設計開發(fā)方面的優(yōu)越性車用中冷器由于各種條件的約束，主要有管翅式和板翅式兩種類型。相對而言，管翅式中冷器目前應用越來越廣泛。翅片管換熱器是一種高效緊湊式換熱器,與加工技術的發(fā)展,擴大了其應用的范圍,是廣泛應用于空氣分離、石油化工、天然氣液化、合成氨工業(yè)、船舶、車輛等,其突出優(yōu)點是結構緊湊,容易流安排,小溫差、大熱的溫度下降。和傳統(tǒng)的管式換熱器設計通常只依靠簡單的理論,長期積累的經驗和實驗分析確定換熱器的結構,但它需要大量的實驗基金和長周期,和由此產生的結構形式并不能保證最好的解決方案,因此需要探索更有效和方便的設計研究方法。我們可以看到傳統(tǒng)設計流程圖的設計過程在傳統(tǒng)管式熱交換器,冷的影響設計的可行與否往往取決于實驗驗證。為保證中冷器性能穩(wěn)定，就不得不進行大量試驗。和篩選和優(yōu)化產品的設計、制造和測試部門進行系統(tǒng)性循環(huán),由于涉及的鏈接,產品開發(fā)周期長,成本高,對于工程設計,通常需要進行方案選擇和優(yōu)化。2.2管翅式中冷器的CFD設計使用流利的軟件模擬計算和中冷,包括了解流體流動和傳熱。涉及計算的一般步驟是：幾何建模、劃分網格、邊界設定、物理模型選擇、計算和后處理。2.2.1中冷器的建模利用Proe軟件該中冷器進行建模工作。然后將建成的模型導入Gambit中，Gambit是CFD商用軟件Fluent的前處理軟件，主要作用是建立網格模型。它的功能非常強大,可以建立各種各樣的幾何圖形,然后將網絡幾何和設置邊界條件,最后將生成的網絡文件到流利的軟件來計算。我們對換熱器中冷器的結構不構成重大影響的前提下適當的簡化所選的坦克。建立合理的數學模型，中冷器建模后分為三部分，進氣道、出氣道、芯體；其中芯體部分做如下簡化：只做出增壓空氣通道，而冷卻介質通道挖空，冷氣熱氣之間做對流換熱；將進氣道、芯體、出氣道連為整體。這有助于計算量的減少和計算精度的保證。導入Gambit中的模型如圖5-1。中冷器模型（三視圖）中冷器模型（主視圖）圖5-1Gambit建模圖2.2.2網格劃分完成后的CFD軟件的建模工作是建立在有限元分析的基礎。因此對所建立的模型進行網格劃分。在Gambit中，對劃分網格的規(guī)定是：對于二維模型可劃分三角形、四邊形單元，而四邊形單元的計算精度高；對于三維模型可劃分為四面體、五面體和六面體單元，相對而言六面體單元的計算精度高。冷的設計計算使用三維六面體網格單元模型。熱壓縮空氣直接把空氣冷卻器進出口邊界。網格劃分的設置如圖5-2所示。網格單元取size=5，網格劃分后，總共有1780881個六面體單元，對模型進行處理，改進后的模型如圖5-3所示：圖3-2網格劃分設置圖3-3網格劃分圖2.3數值模型的建立由于海區(qū)實際邊界的復雜性，而且運動方程中又含有非線性項，一般只能采用數值求解方法。在特定的邊界條件下，用數值求解方程組(2.13)一((2.15)的方法很多。本計算采用國內外技術比較成熟、應用廣泛的ADI法(隱顯方向交林法)來進行求解。ADI法是一種有限差分法。有限差分法適用于各種類型的微分方程,數學概念是明確的,簡單、靈活方便、方便程序,精密差分格式在高和低的選擇,收斂性和穩(wěn)定性理論,往往是成熟,是一種最常用和最成功的方法。有限差分法有很多種,包括顯式法和隱式法和隱式和顯式方法,計算使用哪種具體的將直接影響到模型的精度。顯式法和隱式法各有其優(yōu)缺點，顯式法是直接求解節(jié)點未知量，不需要聯立求解離散得到的代數方程組；而隱式有限差分格式需要求解代數方程組.從這點看，顯格式要比隱格式優(yōu)越。從數值計算的穩(wěn)定性的角度,使用相對較小的時間步的顯式的請求,在初始值和高要求,如果初始誤差非常大,將導致不同的計算過程。ADI方法是一種隱式和顯式方法,它既有顯式和隱式方法各自的一些優(yōu)勢,實際應用中受歡迎。所以本次研究采用ADI法對微分方程進行離散。1.網格劃分為了便于使用航天中心差分公式,利用交錯網格圖(2.2)。圖3.2中網格交點編號記為i(x方向)，j(y方向)并規(guī)定i，j為整數點時記為水位點和糙度系數C，用號“+”表示。我為整數點x方向上速度u,用符號“-”表示。i為整數，j為±點時記為y方向上流速v，用符號“|”表示。當i和j均為±點時記為水深點，用符號"o"表示。圖3.2計算網格將微分方程(2.13)一(2.15)離散成差分方程時，采用如下運算符:△x=△y=△s為空間步長，△t為時間步長，i，j，n=0均以±，±1，為單位。在i，j點上n時間層時函數F可表示為:2.差分方程的建立由于本計算采用ADI法進行求解，首先將△t分為兩個半步長。按三層格式運算。在n△t-(n+)△t半步長上，沿X方向對s和u進行隱式計算，對v進行顯式計算。在后半時間步長(n+)△t一（n+1)△t上，沿Y方向對shev進行隱式計算。對u進行顯式計算。上述求解方法的特點是，無論沿X向求解杏和u，或沿y向求解杏和V均采用了隱式差分格式，穩(wěn)定性是良好的。其次在每一時間層上，對某一確定的行求解s和u或對某一列求解s和V時均可化為三對角型線性代數方程組。可用追趕法求解。根據上述要求，將方程組(2.13)到((2.15)離散成差分方程組。在n△t-（n+)△t半步長上，運動方程(2.13)的差分方程為:將上式中的改寫成則在i+，j點上得方程2.16同理在i，J十點上得運動方程(2.14)的差分方程為:方程2.17在i，」點上得連續(xù)性方程(2.15)的差分方程為:方程2.18將差分方程(2.16-2.18)進一步離散，由(2.18)得:將上式整理得：方程2.19其中由方程(2.16)得X向U的隱式差分方程為:將上式整理得方程2.20其中由萬程(2.17)得X向V的顯式差分方程為:方程2.21同理得后半時間步長(n+)△t-(n+1)△t沿Y方向V的隱式差分方程為:方程2.22其中y方向連續(xù)性方程的差分方程為:方程2.23其中y方向U的顯式差分方程為:方程2.243.差分方程求解為了求解逐行(列)各點在某一時間層上的s和U的值，將方程(19)和(20)聯立構成如下三對角型代數方程組。2.25式(2.25)中uJ以簡寫成Ax=f即可以進行LU分解A=LU，其中其中L和u非零元極少且分布很有規(guī)律，這種情況可作矩陣的Doolittle分解.計算公式如下:Di=ci，i=1，2，...，n-1U1=b11i=a1/ui-1，i=2，3，...，nUi=bi-lici-1，i=2，3，...，n計算次序是Ul->12->U2->13->U3->...->lu-->un，原方程組Ax=f是通過下述兩個具有兩條對角線元素的三對角方程組實現的，計算公式如下Y1=f1，yi=fi-1iyi-1，i=2，3，...，nXn=yn/un，xi=(yi-cixi+1)/ui，i=n-1，n-2，...，1我們稱該計算公式為求解三對角方程組的追趕法。用追趕法可以很容易地工作方程(2.25),然后指出工作的價值V是一個半步長完成一半時間步長計算排名后,還用追趕法求解代數方程的L和V。然后再逐點地算出U的值。如此重復上述計算過程，直至計算結果達到穩(wěn)定為止。3.4結果分析從上面中冷實現內部靜態(tài)壓力、速度和溫度的分布云圖,我們可以看到:1,通過靜壓輪廓:知道的壓力分布是分層裝置,進氣壓力逐漸增加從上到下,但不是壓力變化,提出對邊。這說明高壓的熱空氣進入中冷器后，每層在通過換熱芯子時，熱空氣的壓力有所降低。這是由于熱交換器芯整體流通截面積應大于流進氣和排氣側橫截面積和路徑的壓縮空氣在流動的過程中較低的壓力。(2)由于進氣道由上到下逐漸縮小，使中冷器下端壓力偏高，使該處的應力偏高，設計時應該重視。(3)該模型中，拐角處為直角，在實際應用中應避免直角拐角存在，進出氣道的拐角處應設計成圓角，使氣流平緩過渡，避免拐角處應力過大。2、通過對速度云圖：(1)冷阱,熱空氣流量的一邊在當地附近的高耐熱。這是由于進口側的熱空氣通過熱核心,遇到熱心墻附近的流速不均勻產生的塊。在冷阱的設計是不可避免的,我們要做的是設法降低流速偏高。(2)熱空氣的熱交換器芯整體速度分布比較均勻,這種設計有利于均勻傳熱的熱空氣。但我們可以看到,熱空氣的傳熱速度分布在核心自下而上略有不同。結論作者將分析的發(fā)動機型號定為東風朝柴CY4100ZLQ，然后根據發(fā)動機參數及高效換熱的目的，選擇管翅式中冷器作為中冷設備，對給定增壓