网格网格技术

第23卷第4期重庆交通学院学报2004年8月Vo1.
23No.
4JOURNALOFCHONGQINGJIAOTONGUNIVERSITYAug.
,2004基于移动网格技术的发动机内气体流动分析吴壮文,杜子学(重庆交通学院机电学院,重庆400074)摘要:建立了四冲程发动机的计算流体(CFD)模型,进行了四个冲程及进排气阶段气流流动的仿真模拟及分析,给出了发动机气缸内流场的优化方案,为CFD在发动机上的应用提供了借鉴.
关键词:移动网格技术;发动机;气流流场;分析及优化中图分类号:U464文献标识码:A文章编号:1001-716X(2004)04-0107-03众所周知,发动机气缸的进气状况与排气状况的好坏很大程度上影响了燃料燃烧的完全性,从而影响动力性、经济性及排放性能.
一个顺畅的进排气过程,能使发动机的节流损失减小,容积效率增高,增大充气效率,提高输出扭矩,改善发动机的负荷特性.
为此,有必要对发动机气缸内部构造曲面进行仿真优化模拟.
本文采用CFD软件STAR-CD进行了该方面仿真尝试.
在仿真时,采用了移动网格技术以处理旋转流场、动态扭转流场、流场内部滑动、嵌入网格优化等各种具有相对运动的流场,通过实践找到了适用于实际问题的最佳仿真技术及优化途径.
1仿真过程1.
1气缸几何模型的建立先建立一个带有进排气门、活塞、气缸的发动机简化模型,然后利用STAR-CD的瞬时动态网格分析方法来模拟仿真,以寻求优化的方法.
如图1示,是一个带有进排气口,以及进排气阀门的二维四冲程的发动机气缸简化模型.
它主要可分为:缸体(cy-li)、进气阀顶部(ivt)、排气阀顶部(evt)、进气阀(ivb)、排气阀(evb)、进气口(iprt)、排气口(eprt)等7个区域.
阀门启闭状况如图2所示.
首先在曲柄旋转前20゜时,排气阀开启,到20゜时完全开启,直到160゜时开始关闭,180゜时完全关闭.
而进气门则从180゜时线性开始开启,200゜到340゜时保持全开,随后线性关闭,到360゜时完全关闭.
尽管这是一个简单的示意图,可这个过程足以说明发动机运转过程中,进排气门的实际启闭情况,是可以用于任何进排气门分析的.
活塞的运动则由连杆长度、曲柄半径、上止点(TDP)的中心位置等几何参数和运动学参数决定[1].
图1二维四冲程发动机气缸简化模型1.
2仿真模拟的计算模型的建立仿真计算前,先建立移动网格.
网格控制着有限体网格的移动以及移动接点运动的连续性,这使计算过程中的瞬时控制单元体很容易实现.
使用网格移动技术,在数学上可以分为两步:第一,处理网格连接点的变动.
如网格移动部分的单元体从一个位置移动到另一个位置时,所必须经历的原点删除、新点增加、新点重新粘接等过程.
这一步可以由STAR-CD的事件文件来定义.
第二,要定义一个网格节点位置移动的事件函数.
仿真模拟从发动机的气缸的下止点(BDP)开始,在曲轴旋转360゜的运动范围内,做连续的时间间隔划分,实现移动网格技术.
在做功及排气冲程中,用空气模拟示踪燃气.
进排气口的气流速度极高,故收稿日期:2003-10-25;修订日期:2003-12-01作者简介:吴壮文(1980-),男,浙江衢州人,硕士生,从事汽车空气动力学研究.
图2进、排气阀门开启情况采用紊流流体模型.
兼顾分析与实际情况,我们采用的流体为理想状况下的空气,假定进排气口的气体压力恒定,相对大气压力为0.
对缸体进行网格剖分,建立如图3所示的计算模型.
图3发动机气缸简化模型计算网格在假定所有流体都具有空气属性的前提下,所有的流体还必须满足:1)根据理想气体定律,分子密度可变,质量及动量守恒等定律,有[4]:1/g·/t·(gρ)+/xj·(ρuj)=Sm(1)1/g·/t·(gρui)+/xj·(ρuiui-τij)=-p/xi+Si(2)其中:g———重力加速度;t———时间;xi———直角坐标轴(i=1,2,3);ui———流体在流场内的xi方向上的绝对速度;uj———uj-ucj,流体与坐标轴(速度为ucj)之间的相对速度;p———压力计压力;ρ———流体密度;τij———压力张量分量;Sm———质量源;Si———动量源分量.
2)可以进行温度计算:由化学能守恒方程及静态焓方程,由如下流场总焓(H)方程[2]:1/g·/t·(gρH)+/xj·(ρujH-Fh,j-uiτij)=1/g·/t·(gp)-/xi·(ucjp)+Siui+Sh(3)Fh,j———热量在xi方向上的扩散流量.
3)属于紊流模型,而相对于层流来说,STAR-CD假设紊流模型中的流量标量是属于整体平均流量性质,故式(3)与式(2)都用平均值:-ρu′iu′j=2μtsij-2/3·(μt·uk/xk+ρK)δij(2′)-ρu′ih′=-μ1/σh,t·h/xj(3′)其中:u′i———流体在紊流模型中的xi方向上的绝对速度平均值;K=u′iu′j/2———为紊流模型中的运动学能量;h———燃料的热焓值;δij———克劳耐克系数,当i=j时,δij=1;当i≠j时δij=0.
4)各边界区域的边界条件可如下定义[3]:边界区域ivb、ivt及evb、evt和cyli等5个边界将作为动态附着表面,定义成"attach"型边界,而区域cyli则是整个二维区域的上下两个对称表面,定义成"symmetry"型,边界区域iprt、eprt是进出口的常压区,定义成"pressure"型.
2具体分析程序该过程可分为如下两个部分,即前处理和分析两个过程.
1)前处理过程主要包含:问题的提出;网格移动的处理和操作;撰写驱动事件文件:边界条件、属性及参数、控制参数等.
2)分析过程主要有:调用移动网格参数模块pmov,指定计算网格类型为移动网格;流体方程的迭代计算,保存结果.
3模拟显示整个流场,得出优化方案因为需要调用大量的可视化的数据,而且网格随时间变化,故与其他模型相比,紊流流体的移动网格分析法在后处理阶段更复杂.
1)静态显示:调用数据以后,便可将其显示在屏幕上,如图4和图5所示.
图4排气冲程速度矢量2)动态显示:STAR-CD提供了一种动态显示108重庆交通学院学报第23卷图5排气冲程等压力图结果的方法,即将一系列的prostar命令保存到一个二进制图画文件中,然后用相关的命令使其在屏幕上连续显示.
排气冲程的压力模拟动态显示方法如下:首先在屏幕上画出显示区域的边框,然后处理速度向量的颜色搭配及箭头大小;再创建二进制文件,最后只要调用该二进制文件即可显示(按Ctrl+C键终止显示).
4优化分析从图4可以很明显地看出,排气端口的速度矢量每经过一次转向,颜色变化就很大,速度矢量(箭头)的数量减少(损失)也很大,从而节流损失大,这就是说排气不畅.
如果以进气事件作为分析对象,取进气阶段的进气管、进气阀门处的速度矢量图来分析,也可以得出同样的结论.
为此,在进行发动机气缸设计时,首先不仅仅要考虑内部润滑,还必须考虑整个气路以及内部连接的光滑性,减少节流损失,从而提高发动机的动力性和燃油的经济性;其次,必须使进排气路顺畅,采用倒角或圆角连接各管路,提高燃油燃烧的充分性,降低有害物的排放,降低对环境的污染与危害.
如此通过对各种方案的分析及仿真,可以实现基于移动网格技术的发动机气缸内流场的优化仿真.
5结束语发动机缸内流动的CFD分析不同于汽车的外流场模拟,在仿真分析时,必须采用移动网格技术.
本文以STAR-CD为分析工具,妥善地处理了缸内流动仿真问题,并进行了静态和动态显示.
仿真分析表明:1)利用移动网格技术,可以有效处理流场内部滑动、嵌入网格优化等具有相对运动的流场.
2)缸内流速较大,采用高雷诺数的紊流模型能够很好地反映实际流动.
3)基于移动网格的CFD分析,是气缸内气体流动优化仿真的一种可行方法.
参考文献:[1]程俊国.
高等传热学[M].
重庆:重庆大学出版社,1991.
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计算流体力学理论,方法及应用[M].
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[3]STAR-CDUserGuider[M].
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MALALASEKERA.
ComputationalFluidDynamics[M].
北京:世界图书出版社,2000.
EnginecylinderflowanalysebasedonmovingmeshtechnologyWUZhuang-wen,DUZi-xue(SchoolofMachine&Electronic,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)Abstract:ThispapersetsupaCFDmodelof4-strokeengine,and,givesthefourstrokes,intakeandexhaustflowsimulationandanalyses.
Itoptimizetheprojectofenginecylinderinternalflowfield.
So,itcanprovideareferencefortheapplicationofCFDinengines.
Keywords:movingmeshtechnology;engineflowfield;analyze;optimum责任编辑:袁本奎109第4期吴壮文,等:基于移动网格技术的发动机内气体流动分析