CFD技術(shù)應(yīng)用論文

1、CFD技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用汽車學(xué)院14班魯瑛琦44120208摘要：進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展讓內(nèi)燃機(jī)實(shí)驗(yàn)變得更加簡(jiǎn)便。尤其是仿真模擬軟件的應(yīng)用大大節(jié)省了內(nèi)燃機(jī)實(shí)驗(yàn)的成本，提高了可操作性。其中CFD技術(shù)運(yùn)用廣泛，在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中發(fā)揮的作用也越來越重要。本文簡(jiǎn)要介紹了內(nèi)燃機(jī)工作過程數(shù)值模擬和內(nèi)燃機(jī)CFD的發(fā)展歷程，并介紹了內(nèi)燃機(jī)CFD的各個(gè)組成部分和缸內(nèi)紊流流場(chǎng)的基本算法，最后指出了內(nèi)燃機(jī)CFD的發(fā)展趨勢(shì)。1 .CFD技術(shù)簡(jiǎn)介CFD(ComputationalFluidDynamics)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種數(shù)值計(jì)算工具,用于求解流體的流動(dòng)和傳熱問題。由于CFD可以準(zhǔn)確的給出流體流動(dòng)的

2、細(xì)節(jié),因而可以從對(duì)流場(chǎng)的定量分析中發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的問題，據(jù)此優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，達(dá)到改變傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的目的。本文對(duì)CFD技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了討論。1.1 紊流運(yùn)動(dòng)的CFD簡(jiǎn)介內(nèi)燃機(jī)的缸內(nèi)氣體流動(dòng)是典型的紊流運(yùn)動(dòng)，對(duì)紊流運(yùn)動(dòng)的計(jì)算屬于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的范疇。內(nèi)燃機(jī)工作過程CFD即是在紊流流動(dòng)CFD的基礎(chǔ)上,增加了對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作過程所特有的噴霧、蒸發(fā)、混合及燃燒等子模型的建立。紊流運(yùn)動(dòng)的CFD是目前CFD領(lǐng)域困難最多但研究最活躍的領(lǐng)域之一。目前關(guān)于此類的計(jì)算方法大致可分為：(1).直接數(shù)值模擬(DNS)。運(yùn)用非穩(wěn)態(tài)的N-S方程對(duì)紊流進(jìn)行直接計(jì)算，包括大尺度渦旋和小尺度渦旋，對(duì)高度復(fù)

3、雜的紊流運(yùn)動(dòng)必須采用很小的時(shí)間和空間步長(zhǎng)。(2).大渦模擬(LES)。運(yùn)用非穩(wěn)態(tài)N-S方程直接模擬大尺度渦旋，小渦對(duì)大渦的影響通過近似的模型來考慮。以上兩種計(jì)算方法都要求計(jì)算機(jī)有很高的處理速度和存儲(chǔ)容量。（3）.Reynolds時(shí)均方程法。將非穩(wěn)態(tài)方程對(duì)時(shí)間作平均，在所得出的關(guān)于時(shí)均物理量非控制方程中包含了脈動(dòng)量乘積的時(shí)均值等物理量，于是所得出的方程個(gè)數(shù)小于未知量的個(gè)數(shù)。為使方程組封閉,就建立模型把未知的更高階的時(shí)間平均值表示成較低階的在計(jì)算中可以確定的量的函數(shù)。這種方法是目前工程紊流計(jì)算中廣泛采用的方法。巨型機(jī)的發(fā)展促進(jìn)了并行算法的發(fā)展，并使紊流DNS及LES在一定程度上成為可能。近10年來

4、,個(gè)人計(jì)算機(jī)獲得迅速發(fā)展，其執(zhí)行速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過昔日的小型機(jī)甚至中型機(jī)，同時(shí)圖形功能也大大增強(qiáng)，而且價(jià)格低廉。這些都為CFD在個(gè)人計(jì)算機(jī)上的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。許多著名的CFD軟件逐漸都有了個(gè)人計(jì)算機(jī)版本，并且也有專門針對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)編寫的CFD軟件。1.2 內(nèi)燃機(jī)CFD的發(fā)展簡(jiǎn)介對(duì)內(nèi)燃機(jī)多名!模型而言，自變量是空間的三維坐標(biāo)x,y,z,有時(shí)可簡(jiǎn)化成二維坐標(biāo)r和乙再加上時(shí)間坐標(biāo)（因此控制方程是偏微分方程。從70年代開始,Gosman等人致力于求解Navier-Stokes方程,80年代初已取得三維模型的初步研究結(jié)果。湍流模型的完善、數(shù)學(xué)方法的發(fā)展、高速大容量計(jì)算機(jī)的引進(jìn)等為CFD輔助發(fā)動(dòng)機(jī)的研究提供了

5、較好的條件。由于三維模擬對(duì)物理過程的描述及邊界條件的確定更接近實(shí)際，因而有更大的發(fā)展?jié)摿Α?975年美國(guó)LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首先推出了二維RICE程序用于計(jì)算汽油機(jī)預(yù)混合燃燒。1979年推出RICE程序的新版本一CONCHAS程序,1982年發(fā)展成當(dāng)時(shí)具有代表性多維模型的CONCHAS-SPRAY三維模型計(jì)算程序。1985年LosAlamos實(shí)驗(yàn)室的Amsden等人正式公布了KIVA程序。1987年，Gosman和Ahmed對(duì)軸對(duì)稱進(jìn)氣道氣門缸內(nèi)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究他們采用熱線風(fēng)俗以測(cè)量了不同氣門升程時(shí)的流量系數(shù)、平均速度和湍流雷諾應(yīng)力場(chǎng)，并用流動(dòng)可視化研究做了補(bǔ)充。1988年

6、又推出KIVAII程序。KIVAII程序是一個(gè)功能比較齊全的內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)過程數(shù)值計(jì)算的大型程序，代表了目前多維模型的最新進(jìn)展。此外由Ricardo公司推出的VERTIS和STAR-CD公司推出的STAR-CD也是目前內(nèi)燃機(jī)CDF領(lǐng)域內(nèi)突出的實(shí)例。1994年，J.C.Dent和A.Chen進(jìn)行了彎曲進(jìn)氣道內(nèi)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究，采用Star-CD程序預(yù)測(cè)了受可變氣門升程和氣道形狀影響的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可行性；2001年，AugustoC.M.Moraes,JeffreyC.Buell等人提出了基于有限元法解決缸內(nèi)非穩(wěn)定流的新的數(shù)值模擬策略；2002年，I.Yavuz和I.Celik

7、用多區(qū)燃燒模型進(jìn)行了敲缸預(yù)測(cè)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震問題作出了貢獻(xiàn)；2004年，UgurKesgin應(yīng)用AVL的Boost和Fire軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。近年來，這些軟件都得到了迅速發(fā)展，并已在世界各地得到了廣泛應(yīng)用，取得了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合的計(jì)算結(jié)果，顯示了較強(qiáng)的預(yù)報(bào)能力，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的研制、開發(fā)、設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究有很大的啟示作用和參考價(jià)值。各國(guó)科學(xué)工作者或是利用現(xiàn)有的CFD軟件或是自行開發(fā)程序?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)的工作過程進(jìn)行了大量的研究。我國(guó)科學(xué)工作者應(yīng)用CFD技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬方面也進(jìn)行了大量的研究，如李隆鍵等人應(yīng)用CFD對(duì)具有兩個(gè)進(jìn)氣道的JL475發(fā)動(dòng)機(jī)氣道內(nèi)三維可壓縮湍流流

8、動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了氣閥在不同升程下的進(jìn)氣流量系數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析，得到了很好的一致性；韓義勇等人用CFD軟件對(duì)直噴柴油機(jī)螺旋進(jìn)氣道進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，通過氣道穩(wěn)流試驗(yàn)對(duì)模擬計(jì)算得到的兩項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，得出兩者發(fā)展趨勢(shì)吻合良好的結(jié)論；項(xiàng)里程等人應(yīng)用Boost軟件建立電噴發(fā)動(dòng)機(jī)加速工況的完整模型對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)加速工況進(jìn)行模擬,并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，模擬結(jié)果具有較高的精度；止匕外，我國(guó)科學(xué)工作者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部工質(zhì)流動(dòng)特性、發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒產(chǎn)物、著火穩(wěn)定性等方面也進(jìn)行了研究，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。2 .缸內(nèi)紊流運(yùn)動(dòng)的基本算法雖然目前有多種多樣的內(nèi)燃機(jī)CFD軟件,但其基本

9、算法都大同小異。下面就以KIVA為例簡(jiǎn)要介紹其算法。KIVA程序考慮了缸內(nèi)過程包括噴油過程和燃燒過程。由于在噴油過程中有燃油進(jìn)人缸內(nèi)，燃燒過程中因燃燒而造成各成分質(zhì)量的變化，因而與普通的控制方程相比，還需要考慮到噴油和化學(xué)反應(yīng)的各個(gè)源項(xiàng)。所以各控制方程?W化為如下形式：(I)(各組分)連續(xù)方程+V"mu)=vV+3時(shí)(1)公式中帶上標(biāo)s的表示噴霧源項(xiàng)，帶上標(biāo)c的為化學(xué)反應(yīng)源項(xiàng)，帶下標(biāo)m為組分，并且下述公式中標(biāo)注與此相同。(2)動(dòng)量方程+V(fiuu)=一VP-4fl(2/3)pA+Vcr+F+pg(2)a(3)內(nèi)能方程誓+y(pui)=-pv+gj+a。a+0。Q3(3)(4)(各組

10、分)氣體狀態(tài)方程P=心丁£(“吃)(5)k一£方程3妙+v(產(chǎn)Jt)=Ol-(AVu+t7；vu+V1(年)V4-pe+(5)對(duì)和7+V(四£)=一(ycel-c.2)peVu+VVc+包ecler：Vu%百+GWl(6)以上各式中，(1)(3)為紊流平均運(yùn)動(dòng)方程組，(5)中的兩個(gè)方程分別為紊動(dòng)能k和紊流的能量耗散率e的方程。在KIVA程序中，對(duì)缸內(nèi)過程的計(jì)算是以時(shí)間(曲軸轉(zhuǎn)角)為計(jì)算步長(zhǎng)，用三維有限差分網(wǎng)格劃分燃燒室及氣缸空間，以時(shí)間的推進(jìn)求解有限差分方程來逼近偏微分方程。在求解過程中，以上各方程之間是相互作用的，即相互耦合。同時(shí)為了方程求解的穩(wěn)定性，方程中時(shí)間

11、差分大多采用隱式格式。KIVA中采用SIMPLE算法對(duì)耦合隱式方程組進(jìn)行求解。為了模擬缸內(nèi)過程,KIVA中包含了缸內(nèi)的氣體流動(dòng)、噴油、蒸發(fā)、碰撞、混合、燃燒、化學(xué)反應(yīng)等子模型，用這些子模型描述缸內(nèi)每個(gè)瞬時(shí)空間上的狀況。利用KIVA程序,可以計(jì)算出缸內(nèi)的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、密度分布以及紊流特征參數(shù)、噴油過程中的濃度分布、燃燒過程的反應(yīng)速率、以及壓力示功圖、放熱規(guī)律等。此外用戶還可以根據(jù)需要添加新功能。3 .網(wǎng)格劃分及計(jì)算結(jié)果的后處理由于內(nèi)燃機(jī)CFD的計(jì)算對(duì)象是二維甚至三維的復(fù)雜幾何形狀，在內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中需要對(duì)網(wǎng)格同時(shí)作出調(diào)整，完全靠手工劃分工作量很大。同時(shí)計(jì)算得出的也是二維乃至三維的數(shù)據(jù)結(jié)果，如

12、果沒有實(shí)現(xiàn)可視化，對(duì)這些數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析簡(jiǎn)直是不可能的。因而對(duì)內(nèi)燃機(jī)CFD而言，網(wǎng)格自動(dòng)劃分及計(jì)算結(jié)果的可視化后處理也是必不可少的組成部分。內(nèi)燃機(jī)CFD可視化后處理包括圖形（二維圖形及三維圖形）和動(dòng)畫。KIVA程序包含有前處理和后處理程序，前處理是根據(jù)內(nèi)燃機(jī)的各幾何參數(shù)劃分網(wǎng)格，后處理對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化處理，對(duì)壓力、溫度、濃度及各種流場(chǎng)參數(shù)繪制圖形，以便分析。圖1和圖2分別為某一計(jì)算實(shí)例的網(wǎng)格劃分及計(jì)算結(jié)果。圖1網(wǎng)格劃分圖2計(jì)算結(jié)果的可視化（流場(chǎng)）4 .內(nèi)燃機(jī)CFD的發(fā)展趨勢(shì)經(jīng)過數(shù)10年的發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)CFD已初步成形。但內(nèi)燃機(jī)CFD中包含眾多的子模型，尤其是有關(guān)內(nèi)燃機(jī)工作過程的，如噴霧

13、、混合、燃燒等子模型，仍很不成熟。自從KIVA程序公布以后，世界各國(guó)包括美國(guó)、日本、德國(guó)、瑞士等國(guó)在此基礎(chǔ)上不斷地進(jìn)行研究，并根據(jù)最新的研究成果豐富和完善KIVA程序，通過KIVA程序的應(yīng)用，對(duì)內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)過程的認(rèn)識(shí)和研究也在逐步的深人。另一方面，在紊流流場(chǎng)的數(shù)值模擬方面，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提高，美法等國(guó)開始采用大渦模擬(LES)及直接數(shù)值模擬(DNS)以取代傳統(tǒng)的對(duì)缸內(nèi)過程的局部進(jìn)行紊流流場(chǎng)模擬，并取得了較好的效果。因而，各工作過程子模型的完善及逐漸采用LES甚至DNS模擬將是內(nèi)燃機(jī)CFD今后的發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)1朱訪君，吳堅(jiān)編著.內(nèi)燃機(jī)工作過程數(shù)值計(jì)算及其優(yōu)化.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，199

14、7.2蔣德明.內(nèi)燃機(jī)燃燒與排放學(xué).西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.3陶文錘.計(jì)算傳熱學(xué)的近代進(jìn)展.北京：科學(xué)出版社，2000.5 Amsden,etal.KIVAHComputerProgramforChemicallyReactiveFlowswithSprays.LA-11560-MS,1989.6 Amsden,etal.KIVA3:AKIVAProgramwithBlock-StructuredMeshforComplexGeometries.LA-11560-MSI,1993.7 S.V.Patankar.NuemricalHeatTransferandFluidFlow.HemispherePublishi