cfd技術(shù)在柴油機發(fā)電機組中的應(yīng)用

cfd技術(shù)在柴油機發(fā)電機組中的應(yīng)用

cfd（compositalfluiddynamis）是一種基于計算機技術(shù)的數(shù)值計算工具，用于解決流量流動和傳熱問題。由于cfd可以正確地表達流量流動的細節(jié)，因此可以從流程分析中發(fā)現(xiàn)問題，優(yōu)化設(shè)計方案，提高整體設(shè)計方案的質(zhì)量。為了通過這項工作，我們討論了fd技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用。1氣罐蓋設(shè)計氣缸蓋設(shè)計是內(nèi)燃機設(shè)計的重要組成部分.1.1綜合性的數(shù)值模擬計算模型氣缸蓋的各個組成部分都有著自己嚴格的設(shè)計要求,在設(shè)計時要協(xié)調(diào)好各個部分的空間布置.所以,三維建模是設(shè)計計算的前提.溫度場是熱負荷評定與計算的基礎(chǔ).冷卻水腔內(nèi)的流場與氣缸蓋溫度場、應(yīng)力場相耦合,氣道內(nèi)的流場也影響到氣缸蓋溫度場,進而影響到熱負荷.因此,模擬計算要圍繞冷卻水腔與氣道內(nèi)的流場與溫度場以及氣缸蓋的溫度場、應(yīng)力與應(yīng)變等方面來進行.設(shè)計目標是使各流場流量和壓力分布合理、減少冷卻水腔內(nèi)微渦和流動死區(qū)并提高氣缸蓋結(jié)構(gòu)疲勞強度.為縮短暖機時間,冷卻水腔容積應(yīng)在滿足冷卻要求的前提下盡可能小.氣缸蓋承受載荷的復(fù)雜性,使得其邊界條件更為復(fù)雜.因此,需要從整體與系統(tǒng)的觀點出發(fā),實現(xiàn)綜合性的數(shù)值模擬計算以反映多種因素的相互影響與相互作用.其中的關(guān)鍵技術(shù)主要在于實現(xiàn)較高精度的流動與傳熱數(shù)值模擬,精確描述復(fù)雜的幾何形狀與準確確定復(fù)雜的邊界條件.1.2渦流比與曲面造型氣道的設(shè)計包括CAD設(shè)計、CFD計算與分析和氣道試驗等等.氣道的質(zhì)量指標主要有流動阻力和渦流強度.所以設(shè)計時要保證氣道表面光順,使氣流沿程流阻最小;同時還要必須滿足氣流進入缸內(nèi)能形成與燃燒系統(tǒng)相匹配的渦流比,即在滿足給定渦流強度條件下,使氣道達到最好的流通特性.設(shè)計時首先根據(jù)缸蓋的結(jié)構(gòu)安排好氣道的相對位置.之后,對氣道的大致形狀進行參數(shù)化設(shè)計,對氣道外形進行三維曲面造型設(shè)計.可將所有的曲面用非均勻有理B樣條(NURBS)方法生成,該方法能夠適應(yīng)復(fù)雜的氣道曲面結(jié)構(gòu).計算時可將空氣視為可壓縮理想氣體,采用標準k—ε模型.邊界處理時可給定進出口的壓力、溫度、湍流度和當量水力直徑;壁面溫度采用絕熱邊界條件,壁面速度采用無滑移邊界條件,對邊界層應(yīng)用湍流壁面函數(shù).劃分網(wǎng)格時,氣門座口部區(qū)域由于流動敏感不能簡化,應(yīng)將此處網(wǎng)格加密.通過CFD軟件對氣道內(nèi)流場的計算與分析對氣道進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,然后通過試驗來驗證.2重點網(wǎng)格劃分氣門處的流動涉及到渦流、湍流等復(fù)雜的三維流動,對進排氣道及缸內(nèi)的氣體運動都有著影響.對氣門處的氣體流動進行數(shù)值模擬,可以為氣門及其凸輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù),以保證在滿足動力學(xué)要求時盡可能增大氣門開啟的時面值;通過比較不同的氣門開啟、關(guān)閉角下的計算結(jié)果,可以對配氣機構(gòu)的配氣正時進行優(yōu)化,確定進氣門、排氣門正時及氣門重疊角.計算時可將氣門附近流場簡化為二維軸對稱流動,計算方法可采用任意拉格朗日——歐拉法(ALE)或是采用時空守恒元和解元算法(CE/SE).對于氣門的網(wǎng)格劃分可做如下處理,即氣門關(guān)閉時,隨著氣門周圍的網(wǎng)格關(guān)系變化,此時通常在氣門周圍生成非貼體網(wǎng)格,再根據(jù)氣門位置、形狀來識別非流動區(qū)域.另一種方法可采用顆粒模擬技術(shù),即對氣門不單獨生成網(wǎng)格,而是用大量微小顆粒來模擬氣門,其模擬氣門的基本思想是:顆粒點按氣門規(guī)律運動,在顆粒點占據(jù)的網(wǎng)格單元中,根據(jù)兩相流動的原理,其中的氣體運動停止.進氣門處的邊界條件可按照等熵假設(shè)來處理,對亞臨界狀態(tài)的進氣過程,假定從管口到喉口為絕熱等熵流,從喉口到缸內(nèi)為等壓流,由能量方程式、連續(xù)方程、等熵條件化簡后得到進氣門處的邊界條件,即邊界方程;排氣門處的邊界條件按照不等熵理論來處理,對于排氣門端的不同流向,邊界條件的處理方法略有不同.3優(yōu)化設(shè)計過程進排氣系統(tǒng)的設(shè)計可以通過建立計算機集成開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn),如圖1所示.進排氣歧管的設(shè)計包括歧管與內(nèi)燃機的匹配、歧管內(nèi)部流場分析以及生成可直接進行加工的CAD造型.其流程一般先根據(jù)已有的內(nèi)燃機參數(shù)及測量數(shù)據(jù)建立一維工作過程模型,再用發(fā)動機臺架試驗對模型進行驗證和完善,并利用已獲得驗證的模型,對歧管的長度、直徑等參數(shù)進行匹配優(yōu)化設(shè)計.然后確定歧管宏觀結(jié)構(gòu)參數(shù),用CFD軟件從微觀角度對內(nèi)部流場進行詳細分析,反復(fù)修改流場模型直到滿足最佳的流動阻力和流動均勻性為止.經(jīng)過上述設(shè)計之后,得到一個可直接加工的CAD零件模型,利用快速原型制造、模具生成等方法進行加工,最后到試驗臺進行試驗驗證,進一步調(diào)整模型,直到滿足設(shè)計要求.對進排氣系統(tǒng)氣流模擬的傳統(tǒng)數(shù)值方法有容積法、特征線法、有限容積法等,它們都不同程度地存在著計算精度不高、容易出現(xiàn)數(shù)值耗散和頻散、對管徑變化較大的區(qū)域邊界處理較困難且存在較大的離散誤差、計算效率偏低等問題.時空守恒元和解元法,使用方便、適應(yīng)性強,計算精度和計算效率較高,對計算EGR系統(tǒng)多組分混合流動、處理激波及其相互干擾等不連續(xù)等問題有明顯的優(yōu)勢.確保流量在時間與空間、局部與全局嚴格守恒是流動過程數(shù)值計算方法研究近來的發(fā)展趨勢.一維模型和三維模型結(jié)合使用,既提高計算精度,又節(jié)省計算時間,是內(nèi)燃機進排氣系統(tǒng)流動過程模擬計算未來發(fā)展的方向.4cfd模型的建立內(nèi)燃機的缸內(nèi)氣體流動是典型的湍流運動,內(nèi)燃機工作過程CFD即是在湍流流動CFD的基礎(chǔ)上,增加了對內(nèi)燃機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.4.1流量模型湍流運動的CFD是目前CFD領(lǐng)域困難最多但研究最活躍的領(lǐng)域之一.常用于內(nèi)燃機流動模擬中的湍流模型見表1.4.2點火式黨把握模型燃燒過程的三維模擬較進排氣流動模擬還處于初級開發(fā)階段.缸內(nèi)燃燒過程包含湍流流動、化學(xué)反應(yīng)及層流擴散.對于由火花塞點火的點燃式內(nèi)燃機來說,其點火模型只受質(zhì)量和能量守恒方程的控制,可分為現(xiàn)象模型和解析模型.在其三維數(shù)值模擬中,應(yīng)用前景最好的是基于層流火焰的CFM(CoherentFlameModel)相關(guān)火焰模型.它在柴油機擴散燃燒的研究中也有廣闊前景.對于壓燃式內(nèi)燃機,其燃燒過程分為噴霧及燃燒過程,其常用模型見表2.4.3燃燒網(wǎng)格的解算方法.在內(nèi)燃機的運轉(zhuǎn)過程中需要對網(wǎng)格同時做出調(diào)整,因此,網(wǎng)格自動劃分及計算結(jié)果的可視化后處理也是必不可少的組成部分.一般通過加密網(wǎng)格來提高計算精度,但要受到計算機存儲能力和計算時間的限制.在不增加網(wǎng)格數(shù)量的前提下,為提高網(wǎng)格質(zhì)量可采用混合網(wǎng)格和分區(qū)網(wǎng)格.對于氣門、活塞等運動部件,可利用軟件包建立內(nèi)燃機非定常移動網(wǎng)格并進行解算.今后在內(nèi)燃機缸內(nèi)計算網(wǎng)格的生成上,將主要圍繞移動網(wǎng)格和貼體網(wǎng)格生成技術(shù)發(fā)展.5其他輔助系統(tǒng)的設(shè)計5.1冷卻液和潤滑冷卻系統(tǒng)設(shè)計要求保證內(nèi)燃機在最適當?shù)臏囟葼顟B(tài)下工作,而且起動后能夠迅速達到要求的工作溫度;潤滑系統(tǒng)設(shè)計要求潤滑油要具有一定的供油壓力以保證能夠供應(yīng)到各摩擦表面,同時其溫度要保持在一定范圍內(nèi).運用CFD技術(shù)對各系統(tǒng)內(nèi)的流體進行數(shù)值計算,可以對冷卻、潤滑系統(tǒng)的設(shè)計方案提出建議.計算時,首先需要建立物理與數(shù)學(xué)模型.表3為履帶車輛動力裝置冷卻液和潤滑油流動模型的組成.冷卻液和潤滑油壓力不大,可以假設(shè)為不可壓縮流體;內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速不變時,溫度變化緩慢,流體密度對時間的變化率近似為零,可看作定常流動;當內(nèi)燃機轉(zhuǎn)速變化時,流體的流動可以認為在相應(yīng)轉(zhuǎn)速下的一系列穩(wěn)態(tài)流動.網(wǎng)格劃分的疏密取決于研究問題的性質(zhì),如對于等直徑的長管,研究其內(nèi)部冷卻液或潤滑油的流動問題,網(wǎng)格可以劃分的疏一些;但對于軸承間隙,其內(nèi)部潤滑油的流動影響到整個系統(tǒng)的流動,則需對有限長軸承間隙做適當?shù)木W(wǎng)格劃分.散熱器處的熱流密度較高,溫度的變化引起流體流動阻力的變化.另外,其芯部的流場及溫度場變化也比較大.因此,對其進行網(wǎng)格劃分時,首先要考慮芯部的流體流場分布情況;其次,要有利于每個單元內(nèi)流體的邊界條件的確定.5.2物理模型的建立掌握車輛動力艙的熱工況,是合理地設(shè)計車輛動力裝置、傳動裝置、冷卻系統(tǒng)和動力艙總體結(jié)構(gòu)的必要前提,而動力艙空氣流動與傳熱分析是車輛動力艙設(shè)計過程中必須進行的重要環(huán)節(jié).建立動力艙內(nèi)的幾何模型時,可對空氣流動和換熱作用不強烈的部分部件或幾何尺寸很小、不足以形成明顯影響的部件進行適當?shù)暮喕褪÷?建立物理模型時要從空間維數(shù)、時間因素、流動形態(tài)和物性參數(shù)等四個方面綜合考慮.在計算過程中,根據(jù)壓力或速度梯度的大小對網(wǎng)格進行自適應(yīng)化處理,在變量梯度大處加密網(wǎng)格,在變量梯度小處減小網(wǎng)格密度.計算區(qū)域外邊界(含入口邊界和出口邊界)可采用壓力進出口邊界條件;艙內(nèi)固體部件表面(固體壁面邊界)對連續(xù)性方程在壁面上應(yīng)用無滑移邊界條件,其它方程采用壁面函數(shù)法來處理;散熱器芯部可看作多孔介質(zhì)來處理;對冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)動部分的壁面可采用旋轉(zhuǎn)坐標系下的控制方程進行計算.設(shè)置傳熱邊界條件時可應(yīng)用傳熱軟件計算出所需要的熱流密度或溫度邊界條件,以反映部件表面與空氣之間傳熱狀況的變化,保證模擬結(jié)果較準確的與實際物理問題相符合.在計算時還需要綜合考慮風(fēng)向、太陽光等自然條件對其的影響.6對于節(jié)能和模型的改進,建議對于分由于內(nèi)燃機從進氣到排氣以及冷卻和潤滑系統(tǒng)內(nèi)各流體的流動是一個連續(xù)過程,每個過程都同時涉及多個部件且相互影響,因