内燃机缸内气体CFD瞬态分析中动态网格划分技术
基于动网格和UDF技术的气缸动态特性研究
2010年11月第38卷第21期机床与液压MACH I NE TOOL &HYDRAUL I CSN ov .2010V ol 38No 21DO I :10.3969/j issn 1001-3881 2010 21 004收稿日期:2009-11-02基金项目:科技部国家科技支撑计划课题(2007B AK35B02)作者简介:葛如海(1957 ),男,教授,博士生导师,主要从事汽车被动安全性研究及汽车轻量化研究。
E -m ai :l grh @u j s edu cn 。
基于动网格和UDF 技术的气缸动态特性研究葛如海,王桃英,许栋,臧绫(江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013)摘要:基于FLUENT 软件提供的计算方法和物理模型,利用动网格及UDF (用户自定义函数)技术,对活塞运动过程进行动态数值模拟。
通过动网格的生成与消亡,较好地解决因活塞运动所导致计算区域瞬时变化问题。
得到气缸在不同蓄能腔体积、量孔直径及活塞作用面积下,活塞所受轴向力、位移变化等特性的可视化仿真结果,获得气缸内部流场分布。
分析蓄能腔体积、量孔直径及活塞作用面积对气缸动特性的影响。
结果表明:活塞作用面积对活塞动特性影响最大,其次是蓄能腔体积,而量孔直径大小的影响最小,为气缸优化设计提供理论依据。
关键词:气缸;动网格;UDF;动态特性;活塞中图分类号:TH138 51 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2010)21-012-4Dyna m ic Characteristics of Pneu matic Cylinder Based on Dyna m icM esh and UDFGE Ruha,i WANG Taoy i n g ,XU Dong ,Z ANG L i n g(Schoo l o fAuto m ob ile and Traffic Eng i n eering ,Ji a ngsu University ,Zhen jiang Ji a ngsu 212013,China) Abstract :Based on the ca l culati on and physical m ode ls of FLU ENT soft w are ,the m ove m en t o f the piston was si m u l a ted byusi ng dyna m ic m es h and UDF (user defi ned function).T he prob l em o f reg i onal i nstantaneous change i n ca l culati on area w hich was re s u lted by piston m ov i ng was w e ll so l v ed by genera ti on and d i sappearance o f dyna m i c m esh .T he v i sualization s i m u l a tion res u lts of the force on t he pist ons and t he disp l ace m ent character i stics w hich w ere produced at d ifferen t vo l um e o f st o rage con tai ner ,t he dia m eter of jet bore and t he area of the p i ston o f cy li nde r w ere go tten .T he i n fluences of the vo l u m e o f storag e conta i ner ,the dia m eter o f j e t bo re and t he area of the p i ston on the dynam ic character istics o f the cy li nder w ere ana l yzed .T he results show tha t :The a rea o f t he p i ston has t he l a rgest i nfl uence on t he dyna m ic charac teristi cs o f the p iston ,t he fo llowed i s the vo l u m e o f sto rage con tai ner ,and t he s m allest is the d i ame ter of jet bo re ,wh ich prov i de a theo re ti ca l basis f o r the cy li nder design .K eyword s :Pneu m atic cy li nder ;D yna m ic m esh ;UDF;Dyna m i c charac teristics ;P ist on在汽车碰撞乘员约束系统研究中常采用汽车座椅、汽车坐垫动态调节机构来减少汽车碰撞时乘员的伤害。
汽轮机内缸有限元分析与网格划分方案优化
汽轮机内缸有限元分析与网格划分方案优化作者：王家鋆敖勇邓志成来源：《计算机辅助工程》2020年第02期摘要：为研究不同网格划分方案对汽轮机內缸应力场计算结果的影响，对某汽轮机中压內缸进行建模，选择热固耦合的有限元法采用4种不同的网格划分方案进行计算，得到额定负荷工况下典型应力集中部位的等效应力。
根据计算结果，分析网格整体控制和局部细化过程的不同设置参数对整个求解过程的影响。
综合考虑求解成本和计算精度，最终确定一种理想的四面体网格划分方案，该方案可在结果准确合理的前提下提高计算效率。
关键词：汽轮机內缸;应力集中;网格划分;优化;有限元中图分类号：TK263.1;TB115.1文献标志码：B0 引言有限元法是求解复杂力学问题的有效数值分析方法之一。
随着计算机技术的不断发展，在针对汽轮机零部件结构强度的计算方面，有限元法得到广泛应用。
在有限元强度分析中，只要原问题的数学模型正确、算法稳定可靠，随着单元数目增加，有限元解与精确解的近似程度就被不断改善，并最终逼近原数学模型的精确解。
因此，有针对性地选择网格划分策略尤为重要。
对几何结构复杂、工作环境恶劣的汽轮机中压内缸进行网格划分时，若选用六面体单元，则需要在保证计算精度的前提下对模型进行大量的简化和分割;四面体单元具有划分方便、对模型边界拟合能力较强的特点。
文献[3]和[4]均对汽轮机中压内缸进行完整的结构强度研究，并采用四面体单元进行网格划分，但网格划分分别采用自动划分和设置全局尺寸的方法，对强度薄弱部位未作区分且得到的网格数量较多。
针对汽轮机中压内缸的具体结构，研究网格划分对应力计算结果影响的文章较少。
本文以某电厂运行中的汽轮机中压内缸为研究对象，应用有限元计算分析软件worLbench 对额定负荷工况下的部件强度进行有限元分析，并采取不同的四面体网格划分方案进行应力计算和分析对比，从而总结高效准确的汽轮机内缸网格划分方法，以期为汽轮机启动和停机等历时较长的瞬态过程分析提供参考。
基于移动网格技术的发动机内气体流动分析
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
【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2004(023)004
【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.
【总页数】3页(P107-109)
【作者】吴壮文;杜子学
【作者单位】重庆交通学院,机电学院,重庆,400074;重庆交通学院,机电学院,重庆,400074
【正文语种】中文
【中图分类】U464
【相关文献】
1.非结构网格技术应用于固体火箭发动机内流场数值模拟 [J], 刘君;郭正;郭健;张为华
2.移动网格技术在求解固体火箭发动机侵蚀流场中的应用 [J], 张世英;孙振生
3.基于CFD发动机进气歧管内气体流动仿真分析 [J], 李天鹏;杨良勇;彭来森
4.基于动网格技术的双脉冲发动机内流场仿真 [J], 汪京;白桥栋;翁春生;陈子豪
5.基于滑移网格技术的揉碎机内流场研究 [J], 麻乾;刘飞;赵满全
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FLUENT动网格教程
F L U E N T动网格教程(共17页) -本页仅作为预览文档封面，使用时请删除本页-FLUENT动网格教程摘自&id=1396题记：在学习使用Fluent的时候，有不少朋友需要使用动网格模型(Dynamic Mes h Model)，因此，本版推出这个专题，进行大讨论，使大家在使用动网格时尽量少走弯路，更快更好地掌握；也欢迎使用过的版友积极参与讨论指导，谢谢！。
该专题主要包括以下的主要内容：§一、动网格的相关知识介绍；§二、以NACA0012翼型俯仰振荡实例进行讲解动网格的应用过程；§三、与动网格应用有关的参考文献；§四、使用动网格进行计算的一些例子。
§一、动网格的相关知识介绍有关动网格基础方面的东西，请具体参考FLUENT User’s Guide或FLUENT全攻略的相关章节，这里只给出一些提要性的知识要点。
1、简介动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题。
边界的运动形式可以是预先定义的运动，即可以在计算前指定其速度或角速度；也可以是预先未做定义的运动，即边界的运动要由前一步的计算结果决定。
网格的更新过程由FLU ENT 根据每个迭代步中边界的变化情况自动完成。
在使用动网格模型时，必须首先定义初始网格、边界运动的方式并指定参予运动的区域。
可以用边界型函数或者UDF定义边界的运动方式。
FLUENT 要求将运动的描述定义在网格面或网格区域上。
如果流场中包含运动与不运动两种区域，则需要将它们组合在初始网格中以对它们进行识别。
那些由于周围区域运动而发生变形的区域必须被组合到各自的初始网格区域中。
不同区域之间的网格不必是正则的，可以在模型设置中用FLUENT软件提供的非正则或者滑动界面功能将各区域连接起来。
注：一般来讲，在Fluent中使用动网格，基本上都要使用到UDF，所以你最好具备一定的C语言编程基础。
2、动网格更新方法动网格计算中网格的动态变化过程可以用三种模型进行计算，即弹簧近似光滑模型(spring-based smoothing)、动态分层模型（dynamic layering）局部重划模型（local remeshing）1）弹簧近似光滑模型原则上弹簧光顺模型可以用于任何一种网格体系，但是在非四面体网格区域（二维非三角形），最好在满足下列条件时使用弹簧光顺方法：（1）移动为单方向。
CFD仿真在内燃机研究中的应用
CFD仿真在内燃机研究中的应用一、内燃机研究中的CFD仿真应用1.燃烧过程分析：内燃机在燃烧室内发生燃烧过程，CFD仿真可以模拟燃烧室内的燃烧过程，包括燃烧速率、燃烧效率、温度和压力分布等。
通过仿真可以优化燃烧室结构、燃烧参数，提高燃烧效率和降低污染物排放。
2.气缸内流动分析：气缸内的流动特性对内燃机性能有着重要影响，包括进气流动、压缩流动、燃烧和排气流动等。
CFD仿真可以模拟气缸内的流动过程，分析气缸内的压力、温度、速度分布，优化气缸几何形状和进气系统设计。
3.散热系统分析：内燃机在工作过程中会产生大量的热量，如果散热系统设计不合理会导致内燃机过热，影响性能和寿命。
CFD仿真可以模拟散热系统内的流动和传热过程，分析冷却效果，优化散热系统设计。
4.污染物排放分析：内燃机在燃烧过程中会产生一些有害的气体和颗粒物，包括一氧化碳、氮氧化物、颗粒物等。
CFD仿真可以模拟燃烧过程中的排放物传输和分布，优化燃烧参数和排放控制设施，降低污染物排放。
5.整机性能优化：CFD仿真还可以模拟内燃机整机的工作过程，包括燃气轮机、柴油机、汽油机等，分析整机性能，优化设计参数，提高效率和降低能耗。
二、CFD仿真在内燃机研究中的优势1.提高研究效率：CFD仿真可以在计算机上进行模拟，不需要建立实际试验台，节约了时间和成本，提高了研究效率。
2.提高精度：CFD仿真可以对内燃机的流动和燃烧过程进行精确的模拟，分析结构细节和流场特性，提高了研究的精度。
3.可视化效果：CFD仿真可以将流动过程可视化，通过动画和图表展示出燃烧效果、流动变化等，便于工程师直观地了解内燃机的工作原理。
4.多参数分析：CFD仿真可以同时考虑多种因素对内燃机性能的影响，包括几何形状、材料选取、燃烧参数等，优化设计方案。
5.可再现性：CFD仿真可以对同一实验进行多次重复模拟，可以验证结果的可靠性和一致性，提高了科学研究的可信度。
综上所述，CFD仿真在内燃机研究中具有重要的应用价值，可以帮助工程师更好地理解内燃机的工作原理和流体特性，优化设计和提高性能。
基于 CFD 分析的缸内直喷发动机燃烧室优化
Penetration
80 70 60 50 40 30 20 10
0 0
Test_view1 Test_view2 Fire_simulation
0.5
1
1.5
2
Time (ms)
图 4 喷雾贯穿距离的标定结果与实验值对比
时 刻
NO.1
NO.2
NO.3
实 验 结 果
计 算 结 果
4. 计算结果及分析
2. 缸内过程计算模型
整个发动机循环计算过程从排气时刻开始，包括排气、扫气、进气、压缩四个阶段。计算 区域的模型及计算工况如图 1 所示，其中为了增强计算的收敛性，分别将进气入口和排气出口 延长了 30 mm。根据实际进排气门升程曲线和活塞运动规律，通过 AVL FIRE 软件中的 Fame Engine Plus 工具构建了整个计算过程的动网格，最大网格数量控制在 120 万左右。计算过程中， 进气道入口设置流量和温度边界，排气道出口设置温度和压力边界，其他壁面采用温度边界， 所 有 的 边 界 条 件 都 由 一 维 计 算 得 到 。 本 文 计 算 了 低 转 速 （1500r/min 全 负 荷 ） 和 高 转 速 （4400r/min 全负荷）两种工况，其中高转速工况对混合气进行了加浓。
Keywords: CFD; Direct Injection; Design of Chamber; Optimization Software: AVL FIRE
1. 前言
随着排放及油耗法规的日益严苛，采用更高压缩比和汽油缸内直喷技术的发动机受到了越
来越多的关注[1][2]。 在新一代的发动机燃烧系统开发过程中，需要考虑燃烧室及进排气系统的设计，喷油器的
[Abstract] CFD models for in-cylinder flow and spray processes of a GDI engine were established in AVL FIRE. Numerical studies were carried out and the in-cylinder processes of different chamber structure designs were analyzed. Calculation results of different design were then evaluated through eight aspects including tumble, swirl, in-cylinder equivalence ratio fraction and et al. Finally, optimization rate was introduced to summarize the effect of the optimization designs. Evaluation results showed that optimization rate of design v03 reached as high as 28.7% and 38.4% for high speed and low speed engine conditions, which indicated that this type of design performed best in improving the in-cylinder mixture formation process.
cfd在现代柴油机进气道开发中的应用
cfd在现代柴油机进气道开发中的应用CFD在现代柴油机进气道开发中的应用引言：现代柴油机进气道的设计和优化是提高柴油机性能的重要环节。
传统的试验方法费时费力，而计算流体动力学（CFD）技术的出现为柴油机进气道的开发提供了一种更加高效和经济的方法。
本文将重点介绍CFD在现代柴油机进气道开发中的应用，探讨其在提高柴油机性能和减少排放方面的优势。
一、CFD技术在柴油机进气道设计中的应用1.1 网格划分在进行CFD模拟之前，需要对柴油机进气道进行网格划分。
合理的网格划分可以准确地模拟流体的流动特性，并保证计算结果的可靠性。
通过CFD技术，可以根据柴油机进气道的几何形状和流动特性，合理划分网格，以获得精确的计算结果。
1.2 流场模拟CFD技术可以对柴油机进气道的流动进行模拟和分析。
通过对流场的模拟，可以了解进气道内的气流速度、压力分布等参数。
同时，CFD技术还可以模拟柴油机进气过程中的湍流现象，帮助设计人员深入了解进气道内的气流特性，为进一步优化提供依据。
1.3 进气道的优化设计基于CFD模拟的结果，设计人员可以对柴油机进气道进行优化。
例如，可以通过改变进气道的形状和尺寸，以减小气流的阻力和湍流损失，提高进气效率。
此外，还可以通过优化进气道的曲率半径和角度，改善气流的均匀性，减少气缸之间的压力差异，提高柴油机的工作稳定性和燃烧效率。
二、CFD技术在柴油机进气道开发中的优势2.1 提高设计效率传统的试验方法需要大量的时间和资源，而CFD技术可以快速模拟柴油机进气道的流动特性，提高设计效率。
通过CFD技术，设计人员可以在计算机上进行大量的虚拟试验，快速评估不同设计方案的性能，并根据模拟结果进行优化，从而减少了试验的时间和成本。
2.2 减少试验成本传统的试验方法需要建立实验设备，购买试验材料，并进行大量的实际试验。
而CFD技术不需要实际的试验装置和材料，只需要进行计算模拟即可。
因此，CFD技术可以显著减少试验的成本，提高柴油机进气道的开发效率。
CFD在内燃机中的应用
应用技术
太原科技 2008 年第 11 期 ＴＡＩＹＵＡＮ ＳＣＩ－ＴＥＣＨ
在研究初期， 由于受相关学科的发展程度及计 算机发展水平的限制， 对常规的工作过程计算做了 很大的简化， 主要是采用零维模型。 它以时间作为 唯一变量， 假定系统边界内各点参量完全相同， 用 常微分方程对系统内的状态变化进行描述， 可以预 测某些参数变化对发动机性能的影响。 但是， 零维 模型忽略了燃烧过程中复杂的物理-化学反应过程 的本质， 无法从本质上把握其规律性， 因而不能预 测排放物的生成。
CFD 在发动机数值模拟中的研究， 最早可追溯 到 19 世纪 60 年代末 R.S.Benson 所开展的工作， 他 利用一维模型计算气道中的气体流动， 获得成功。 随着人们对发动机研究的深入， 计算机技术及相关 学科的发展， CFD 在发动机模拟方面也经历了一个 由简单到复杂的发展过程。
·81·
1 CFD 技术原理 流 体 是 CFD 的 研 究 对 象 ， 流 体 的 性 质 及 流 动
状 态 决 定 着 CFD 的 计 算 模 型 及 计 算 方 法 的 选 择 ， 决定着流场各物理量的最终分布结果。 CFD 问题的 求解过程见图 1 [1]。 其 中 控 制 方 程 就 是 对 支 配 流 体 流动的物理守恒定律的数学描述， 即根据研究内容 建立反映流动对象连续变化的微分方程， 主要包括 质量守恒、 动量守恒、 能量守恒、 组分守恒方程以 及湍流输运方程。 选择合适的边界条件对准确地反 映流动对象性质至关重要， 只有给定了合理的边界 条件， 才可能计算得出流场的解， 因此， 边界条件 是使 CFD 问题有定解的必要条件。
建立控制方程
确定初始条件及边界条件
划分计算网络、生成计算节点
CFD仿真在内燃机研究中的应用
CFD仿真在内燃机研究中的应用首先，CFD可以用于模拟内燃机的燃烧过程。
燃烧过程是内燃机的核心部分，直接决定了内燃机的动力输出和污染物排放。
CFD可以模拟燃烧室内的燃气流动、燃料喷射、混合和燃烧过程，通过计算化学反应方程、热力学和质量传输方程，可以准确预测燃烧效率、氮氧化物和颗粒物的排放等关键参数。
通过CFD仿真，可以优化燃烧室的结构设计、喷油系统的控制策略和燃烧过程的参数，实现更高的燃烧效率和更低的排放水平。
其次，CFD还可以用于内燃机的流动特性模拟。
内燃机中的气流和燃油喷雾对于燃烧过程和动力输出都起着重要的影响。
CFD可以模拟气缸中的气流和燃油喷雾的流动，预测气缸中的速度、压力和温度分布等参数。
通过CFD仿真，可以优化气缸的进、排气通道设计，改善进气和排气阻力，提高燃油喷雾的混合均匀度和催化剂的利用率，进而提升内燃机的动力性能和燃油经济性。
此外，CFD还可以用于内燃机的传热分析。
内燃机中燃料的燃烧产生大量的热能，需要通过汽缸壁和冷却系统散发出去，避免过热引起的故障。
CFD可以模拟燃烧室和冷却系统的传热过程，预测气缸壁的温度分布和热应力。
通过CFD仿真，可以优化冷却系统的设计，改善冷却水的流动和热传递性能，提高内燃机的热管理能力，延长零部件的使用寿命。
最后，CFD还可以用于内燃机的噪声振动分析。
内燃机的运转会产生机械振动和气动噪声，影响乘坐舒适性和环境噪声污染。
CFD可以模拟内燃机的气动噪声辐射和机械振动传播，预测噪声源的强度和频谱分布。
通过CFD仿真，可以优化内燃机的结构设计和降噪措施，减少噪声振动的产生和传播，实现更低的噪声水平。
总之，CFD仿真技术在内燃机研究中具有广泛的应用前景。
通过CFD 仿真，可以更全面地了解内燃机的燃烧过程、流动特性和性能指标，为内燃机的优化设计和性能提升提供重要的技术支持。
随着计算能力的不断提高和CFD模型的不断完善，CFD仿真技术将在内燃机研究中发挥越来越重要的作用。
一种可应用于内燃机瞬态仿真的动网格模型
第4期（总第225期）车用发动机/ No. 4(Serial No. 225) 2016 年8 月VEHICLE ENGINE /Aug. 2016一种可应用于内燃机瞬态仿真的动网格模型孙华文\杨丽红2，明平剑3，张文平3(1.国家超级计算天津中心，天津300457;2.国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津300304;3.哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，黑龙江哈尔滨150001)摘要：提出了一种基于非结构网格的动态层网格实现算法，结合滑移网格算法构建了基于分块滑移动态层的非结构化内燃机动网格模型，并基于T B D620柴油机建立了计算模型，所有算法都基于课题组自主研发的通用输运方程求解软件实现。
流场计算采用适用于可压缩流场的有限体积法及SIM P L E算法。
通过数值算例对所开发的滑移网格模型和动态层网格模型进行了验证，最后对内燃机缸内瞬态流场进行了仿真。
计算结果表明，所发展的非结构化动网格模型可应用于内燃机瞬态流场的仿真。
关键词：内燃机；滑移网格；动态层算法；数值模拟DOI：10. 3969/j. issn. 1001-2222. 2016. 04. 002中图分类号：TK432 文献标志码： B 文章编号：1001-2222(2016)04-0007-07数值模拟作为一种有效的分析设计方法已广泛 应用于内燃机的结构设计及性能分析中，然而现行 的内燃机三维仿真分析软件大多来自国外，国内自 主研发的相对较少。
内燃机缸内瞬态流场仿真的关 键技术主要包括运动网格处理、喷雾模型、燃烧及化 学反应机理以及缸内流场数值求解方法等，其中处 理好网格运动是一切物理模型应用的前提[1]。
对此国内外学者进行了针对性研究。
A.Vel-ghe等[2]采用全局的网格重构插值方法对内燃机的 瞬态流场进行了仿真;D.Aboiiri等[3]研究了基于多 面体网格的运动网格模型并应用于内燃机瞬态流场 的计算；国内蒋炎坤、罗马吉等W研究了带气口发动 机的瞬态流动计算，并利用SNAPPER技术解决运 动边界问题;刘金武等[5]基于网格的拆解组合给出 了内燃机缸内复杂空间三维动态网格的生成方法；秦文瑾等[6]基于KIVA3V进行了 4气门直喷式汽 油机缸内湍流场多周期循环变动的大涡模拟研究，其中网格的运动主要依赖于KIVA3V中的自带模 型。
基于CFD技术的天然气压缩机组气缸动态特性分析
闭后至排气阀打开前的压缩过程无质量变化。可以得出质
量守恒方程 （Mass Conservation Equation） ： [3]
∂ρ ∂t
+
∂( ρu) ∂x
+
∂( ρν) ∂y
+
∂( ρw) ∂z
=
0
式中： ρ ——密度 （kg/m3）；
机电工程技术 2019 年第 48 卷第 04 期
研究与开发
DOI: 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2019. 04. 036
基于 CFD 技术的天然气压缩机组气缸动态特性分析
黄泽奇
（西安石油大学机械工程学院， 陕西西安 710000）
摘要：随着计算流体力学领域的发展，利用计算机对压缩机气缸工作过程中的内部气体流场的变化进行分析，成为研究气体进
入气缸后具体变化过程的主要方法之一。在实际的天然气生产中，通过压缩机对天然气进行增压是整个生产流程中必不可少的
一环，气缸作为压缩机工作过程中的主要构件之一，研究其内部流场中的流体流动特性，对整个压缩机的能效所产生的影响具
有重要意义。基于 CFD 方法，并采用动网格技术对气缸的工作过程进行瞬态模拟。通过建立流动模型、划分网格及进行具体的
0 引言
压缩机工作过程中的工作效率会受多方面影响，而 压缩的介质温度是其主要影响因素。压缩介质的温度过 高，不仅会使缸壁温升程度增大，而且会造成进气量不 足的现象，这都会导致排气量无法达到集输管网所需临 界值，还会使内部零件及润滑油失效，增加功耗。所以 在生产中需要对实际气缸的流体进行模拟分析，确定其 在已知工作条件下的温升情况，为后续零件和散热器的 选型设计奠定基础。
HUANG Ze-qi
内燃机工作过程数值模拟中的CFD
现有条件下 ， 利用计算机完全重 现内燃机的全部工
作过程是不 可能的。纵观内燃机工作过程数值计算 的发展历程 ， 是一个 由简 单到 复杂 、 就 由粗 略到精 确、 由零维到多维 的发展过 程。下面就 以缸 内过程 计算为例简述流体力学在内燃机中的应用历程。
气浓度分布等 ， 通过划分区域进行计算 。 但 与零维模型相 同， 准维模 型也是 以时间（ 或曲 轴转角） 为唯一的 自变量 ， 因此控制方程均为常微分
维普资讯
３ ２
２０ 年第 ４ ０２ 期
内燃 机 工 作 过 程 数 值 模 拟 中 的 ＣＦ Ｄ
７０４ 西安交 通大学 １０９
４ １０ 洛阳公 共交通总公 司 ７００
王锡 斌 蒋德 明 董学尧
摘要
本文 简要介绍 了内燃机 工作过程数值模拟和 内燃机 Ｃ Ｄ的发展历程 ， Ｆ 并介 绍 了内燃机
方程 。其共同特点是难 以精确计算燃烧室几何参数 变化 、 内气流状况变化对燃烧过程的影响。 缸 上述两种对缸 内过程 的计算方法 ， 都是对常微 分方程求解 ， 虽然具 有简便 易行 、 计算 时间少 的优 点， 但计算过程 中对许 多因素采用经 验公式和半经 验 公式 处 理 ， 对性 能 预 测 有 较 大 的随 意 性 ； 外 ， 此 对 污染物如 Ｎ ｘＨ Ｏ 、 Ｃ及微粒 的生 成来说 ， 内局部的 缸 温度、 压力和成分 的变化对其影 响还是很敏感的 ， 如 果假设为均匀分布 ， 则不利 于对缸 内具体过程 的了 解 以及对工作过程和 内燃机性能的优化。要更精确 模拟 内燃机的实 际燃 烧过程 ， 就需要在气缸 内建立
间坐标而变 ， 只随时间（ 曲轴转角） 而变化 ， 故称为零 维系统…。按照这种假设 ， 零维 系统 内的状 态变 化 可用常微分方程来描述 。零维模型可以通过示功图 计算放热规律 ， 预先 假定 放 热规 律按 Ｖｂ 或 双 或 ｉ ｅ Ｖｂ 函数规律变化 ， ｉ ｅ 计算 出示功 图及发动机其 它基
基于缸内流动喷雾燃烧CFD仿真的直喷汽油机燃烧系统优化设计
基于缸内流动喷雾燃烧CFD仿真的直喷汽油机燃烧系统优化设计叶伊苏;王伟民;黎华平【摘要】对一款1.0L三缸增压直喷汽油机,建立了燃烧系统CFD仿真模型,并详细描述了换气、喷油器喷雾特性等边界条件的设置.分析了其额定功率点下的缸内瞬态流动、喷雾、混合气形成以及燃烧过程.原设计状态下,点火前缸内湍动能分布以及燃油浓度分布不够合理,火焰传播不对称,存在爆震风险.通过优化设计进气道及活塞冠面,缸内滚流运动及点火前湍动能提升,燃油浓度分布改善,燃烧速度加快约3° CA,同时由于omega涡流降低,排气侧湍动能改善,火焰均匀传播到气缸四周.最终的设计方案下,滚流、湍动能、火花塞周围流场、湿壁、燃油浓度分布以及火焰传播均能满足工程目标.在随后的单缸光学可视化发动机试验中,各工况下的混合气形成、湿壁及燃烧均能满足要求.【期刊名称】《汽车科技》【年(卷),期】2017(000)006【总页数】6页(P2-7)【关键词】燃烧系统;滚流;湍动能;omega涡流;火焰传播【作者】叶伊苏;王伟民;黎华平【作者单位】东风汽车公司技术中心,武汉430058;东风汽车公司技术中心,武汉430058;东风汽车公司技术中心,武汉430058【正文语种】中文【中图分类】TK464GDI汽油机燃烧系统开发包括进排气道及缸盖燃烧室优化设计、活塞冠面设计、喷雾油束布置优化或选型[1-2]，这些工作一般依靠气道稳流试验、CFD模拟以及光学发动机试验来进行。
通常在开发初期通过气道稳流试验和CFD分析初选进排气道（会有2～3种方案），然后进行缸内流动、喷雾及燃烧CFD分析，评估缸内滚流运动、湍动能分布、燃油湿壁以及火焰传播对称性情况，选出较优的气道、活塞方案，最后通过单缸光学发动机进行喷油器的选型。
本文结合某1.0L增压直喷汽油机的开发，讲述缸内滚流运动、混合气形成以及火焰传播的CFD分析情况，并结合详细的结果分析优化气道、活塞冠面，最终使得各参数达到工程目标。
基于动网格和UDF技术的气缸动态特性研究
ｊｔ ｏｅａｄｔ ｒａｏ ｅｐｓ ｎｏ ｌ ｄｒｗ ｒ ｇｔｎ ｈ ｆ ｅｃｓ ｆｈ ｏ ｍｅｏ ｏａｅｃｎａ ｅ，ｔｅｄ ｍｅ ｒ ｆｅ ｂ ｒ ｅ ｂｒ ｎ ｅａｅ ｆ ｈ ｉｏ ｆ ｙｉ ｅ ｅｅ ｏｔ ．Ｔ ｅｉ ｌ ｎｅ ｅｖｌ ｆ ｔ ｇ ｏｔ ｎｒ ｈ ｉ ｔ ｔ ｅ ｈ ｔ ｔ ｃ ｎ ｅ ｎｕ ｏｔ ｕ ｓｒ ｉ ａ ｅ ｏｊ ｏ
２１ ０ ０年 １ 】月
机床与液压
ＭＡＣＨＩ ＮＥ ＴＯ０Ｌ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬ ＣＳ Ｉ
ＮＯ ．２ １ Ｖ ００
Ｖｏ ＿ ８ Ｎｏ ２１ ｌ３ ．
Байду номын сангаас
第３ ８卷 第 ２ 期 ｌ
Ｄ ：１ ． ９ ９ ｊ ｉ ｎ １ ０ —３ ８ ． ０ ０ ２ ． ０ ＯＩ ０ ３ ６ ／．ｓ ． ０ １ ８ １２ １ ． １ ０ ４ ｓ
基 于 动 网格 和 Ｕ Ｆ技 术 的气缸 动 态特 性研 究 Ｄ
葛如 海 ，王桃英 ，许栋 ，臧绫
（ 江苏大 学汽 车与 交通 工程 学院 ，江 苏镇 江 ２２ １ ） １０３
摘要 ：基于 Ｆ Ｕ Ｎ Ｌ Ｅ Ｔ软件提供 的计 算方法 和物理模型 ，利用动 网格及 Ｕ Ｆ （ Ｄ 用户 自定 义函数 ）技术 ，对 活塞运动过程 进行动态数值模 拟。通过 动网格 的生成 与消亡 ，较好地解决因活塞运动所导致计 算区域瞬 时变化问题 。得到 气缸在不同蓄 能腔体积 、量孔 直径及活塞作用 面积下 ，活塞所受 轴 向力 、位 移变化 等特性 的可视化仿 真结果 ，获得气缸 内部流场分 布。
分析蓄能腔体积 、量孔直径及活塞作用面积对气缸动特性的影响。结 果表明 ：活塞作 用面积对 活塞动特性影 响最大 ，其次
是蓄能腔体 积 ，而量孔直径大小 的影响最／ ，为气缸优化设计提供理论依 据。 了 、
一种可应用于内燃机瞬态仿真的动网格模型
一种可应用于内燃机瞬态仿真的动网格模型
孙华文;杨丽红;明平剑;张文平
【期刊名称】《车用发动机》
【年(卷),期】2016(000)004
【摘要】提出了一种基于非结构网格的动态层网格实现算法,结合滑移网格算法构建了基于分块滑移动态层的非结构化内燃机动网格模型,并基于TBD620柴油机建立了计算模型,所有算法都基于课题组自主研发的通用输运方程求解软件实现.流场计算采用适用于可压缩流场的有限体积法及SIMPLE算法.通过数值算例对所开发的滑移网格模型和动态层网格模型进行了验证,最后对内燃机缸内瞬态流场进行了仿真.计算结果表明,所发展的非结构化动网格模型可应用于内燃机瞬态流场的仿真.【总页数】7页(P7-13)
【作者】孙华文;杨丽红;明平剑;张文平
【作者单位】国家超级计算天津中心 ,天津 300457;国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心 ,天津 300304;哈尔滨工程大学动力与能源工程学院 ,黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学动力与能源工程学院 ,黑龙江哈尔滨 150001
【正文语种】中文
【中图分类】TK432
【相关文献】
1.内燃机排气歧管瞬态热流体-热应力耦合仿真的研究 [J], 董非;蔡忆昔;范秦寅;姜树李;郭晨海
2.仿真直动式溢流阀瞬态响应的键合图法 [J], 郑红梅
3.一种用于测量内燃机瞬态进气量的新型流量计 [J], 王子延;刘晓猛
4.基于COMSOL Multiphysics的路表瞬态动水压力数值仿真分析 [J], 申爱琴;宋攀;郭寅川;李鹏
5.一种应用于仿真培训系统的三维虚拟仿真方法 [J], 郭小燕;刘哲;李鹍;朱伯涛因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
柴油机缸内三维动网格和流场数值模拟程序开发
LIU Xiaogang， MING Pingjian， ZHANG Gejian， ZHANG Wenture CFD simulation software is currently developed overseas and domestic companies lack intellec
序， 对 内 燃 机 缸 内 三 维 工 作 过 程 进 行 数 值 模 拟 。本 文 建 立 了 动 态 层 网 格 模 型 和 匹 配 的 任 意 边 界 模 型 ， 采用有限体 积方法离散流场控制方程， 通过 软 件 。对 内 燃 机 的 缸 内 空 气 纯 压 缩 和 膨 胀 过 程 做 了 仿 真 分 析 ， 计算结果表明， 缸压曲线、 缸内温度曲线与应用商业 软件
Keywords
内燃机缸内流场数值模拟主要是借助 C F D 手 段预测缸内的流动形式， 从而在设计阶段可预先改 进进气形式或燃烧室形状， 形成更好的缸内气流状 态以提高燃烧效率和降低污染物排放， 在现代内燃 机设计和预先研究中发挥了越来越重要的作用[1]。 而目前国内的内燃机设计上主要采用市面上较为流 行的商用软件， 如 K IV A 系 列 软 件 [2]、 AVL F ire 软
PUMPLINX 、 FLUENT 计 算 结 果 基 本 吻 合 ， 证明动网格模型和流场数值模拟方法正确， 本文的程序有进一步市
场应用的前景。
CFD ;数 值 模 拟 ； 程 序 开 发 ;软 件 仿 真 D 0I： 10.11990/jheu.201509023 网 络 出 版 地 址 ：http : / / /kcms/detaiL/23.1390.u.20161012.0927.004.htm1 中 图 分 类 号 :TK402 文 献 标 志 码 ：A 文 章 编 号 ： 1006-7043 (2016 ) 11-1485-07
204_缸内喷雾燃烧CFD仿真与可视化试验对比分析_DFL余宏峰
缸内喷雾燃烧CFD仿真与可视化试验对比分析余宏峰杨尚丽殷勇（东风商用车技术中心，武汉经济技术开发区东风大道10号）摘要：本文采用AVL FIRE软件，对东风重型柴油发动机进行缸内喷雾燃烧过程仿真。
利用内窥镜系统，完成发动机可视化试验，直接拍摄获得缸内喷雾燃烧图像，采用双色法计算碳烟浓度分布。
通过CFD仿真结果与燃烧火焰、碳烟浓度进行对比分析，校验仿真结果趋势与可视化结果的吻合程度。
关键词：CFD；可视化；主要软件：A VL FIRE1. 前言为执行日益严格的排放法规和提高发动机燃油经济性，加强缸内喷雾燃烧过程的研究至关重要。
随着计算机技术的不断进步，计算流体动力学（CFD）和高性能计算机已经广泛应用于发动机缸内的喷雾燃烧仿真计算。
尽管仿真计算可以使我们摆脱试验研究的限制，加强缸内喷雾燃烧过程的直观认识、获取缸内过程图像有利于提高研究人员对喷雾燃烧过程的感性认识，同时对于校核仿真计算模型的精度有着特别重要的意义。
本文采用对流场无干扰的内窥镜技术，直接在产品级发动机上进行喷雾、燃烧过程的可视化测量，获得喷雾燃烧过程的时空变化图像，并用双色法计算碳烟浓度。
用CFD的仿真结果与燃烧火焰、碳烟浓度进行了对比，校验了仿真结果趋势与可视化结果的吻合程度。
2. 试验系统2.1 试验发动机研究中采用东风现生产重型直喷柴油发动机，发动机常规技术参数信息见表1 。
表1 试验发动机技术参数为了能够在发动机上观察到缸内的燃油喷射和燃烧火焰，需要在缸盖上加工可视化通路将内窥镜和光源伸入缸内进行拍摄和照明。
由于目前几乎所有的柴油发动机都采用喷油器中置、四气门的缸盖结构，不可避免地需要在活塞上做局部加工，避开光学视角。
图1所示，在CAD中完成的可视化系统布置和可观察到的燃烧室视野范围。
发动机上台架前，更换缸盖和测量缸活塞。
图1 可视化系统CAD布置2.2 可视化系统研究中所采用的可视化系统为基于内窥镜测量技术的光学燃烧摄像系统。
基于CFD的内燃机燃烧模拟研究
基于CFD的内燃机燃烧模拟研究内燃机是重要的动力装置之一，在许多工业和交通领域得到广泛应用。
为了提高内燃机的效能和减少尾气排放，燃烧过程的研究变得至关重要。
传统实验方法受限于时间和成本，限制了研究的深度和精度。
而基于计算流体力学（CFD）的内燃机燃烧模拟研究则成为了一种有效的解决方案。
CFD技术通过将物理流动规律转化为数值算法，可以在计算机上模拟出复杂的流动现象。
在内燃机研究中，CFD模拟可以重构传统实验环境，分析燃烧室内的流动特性和燃料的燃烧过程。
通过模拟燃烧过程，研究人员可以获得内燃机性能的关键参数，并优化设计和控制策略。
在内燃机燃烧模拟研究中，常用的CFD软件包有FLUENT、STAR-CD等。
这些软件采用了基于Navier-Stokes方程组的求解方法，通过离散求解数值模型，获得实时反馈的结果。
模拟中，颗粒流动、燃烧反应、热传递等因素都被考虑在内。
通过调整模型参数和运行条件，研究人员可以模拟不同燃料类型和工况下的燃烧过程，实现优化设计。
内燃机燃烧模拟研究的关键问题之一是燃烧机理的建立和验证。
燃烧是一种复杂的化学反应过程，涉及到大量的物理和化学参数。
在模拟过程中，研究人员需要选择合适的燃烧机理模型，并对其进行验证和修正。
同时，还需要考虑燃料的物理性质、氧化性能等因素的影响。
通过与实验数据的对比，可以验证和修正模型，提高模拟结果的准确性。
另一个关键问题是内燃机燃烧模拟的计算效率。
内燃机燃烧是一个耗时的过程，涉及到大量的计算量。
为了增加计算效率，研究人员采用了多级网格技术和并行计算方法。
多级网格技术可以在保持精度的同时减少计算量，提高求解速度。
并行计算方法则可以将计算任务分配到多个处理器上，并行处理，进一步提高计算效率。
通过CFD技术的应用，内燃机燃烧模拟研究取得了一系列重要的进展。
例如，在柴油机研究中，通过模拟喷雾过程和燃烧过程，研究人员可以确定喷射策略和燃烧条件，提高燃油的利用率和减少尾气排放。
基于CFD的燃烧器内部流场数值模拟与分析
基于CFD的燃烧器内部流场数值模拟与分析林 刚（广东万和电气有限公司 佛山 528500）摘要：随着我国城市天然气的迅猛发展，各种民用燃具日益增多，而我们的产品也由最初的简单粗放型转向绿色节能型，各种性能指标越做越好，产品精益求精，而本文针对了其中的燃烧器做了一个其内部流场分析。
分析了不同风门板结构下的一次空气对燃烧器内部流场的影响，最终得到折弯角度为45 °角具有12片导流片的风门板结构最佳。
关键词：风门板，一次空气，数值仿真，混合均匀性Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ＇ｓ ｃｉｔｉｅｓ， ｖａｒｉｏｕｓ ｃｉｖｉｌ ｂｕｒｎｉｎｇ ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ ａｒｅ ｉｎｃｒｅａｓ－ｉｎｇ， ａｎｄ ｏｕｒ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｈａｖｅ ａｌｓｏ ｓｈｉｆｔｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ｔｙｐｅ ｔｏ ｔｈｅ ｇｒｅｅｎ ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ ｔｙｐｅ． Ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ ａｒｅ ｇｅｔｔｉｎｇ ｂｅｔｔｅｒ ａｎｄ ｂｅｔｔｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｒｅ ａｉｍｅｄ ａｔ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ． Ｔｈｅ ｂｕｒｎｅｒ ｄｉｄ ａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｉｔｓ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ． Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ａｉｒ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｒｎｅｒ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄａｍｐｅｒ ｐｌａｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｄａｍｐｅｒ ｐｌａｔｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ １２ ｂａｆｆｌｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｂｅｎｄ－ｉｎｇ ａｎｇｌｅ ｏｆ ４５ °ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄａｍｐｅｒ ｐｌａｔｅ， ｐｒｉｍａｒｙ ａｉｒ， ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ， ｍｉｘｉｎｇ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙＮｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｂｕｒｎｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＦＤ前言国内对于家用燃气灶进行了大量的研究，也取得了很多的成果。
具有屋脊型燃烧室的发动机进气道_缸内_排气道分块结构化网格的建立及动态调整
·研究·开发·具有屋脊型燃烧室的发动机进气道-缸内-排气道分块结构化网格的建立及动态调整陈国华 王晓瑜(华中科技大学能源与动力工程学院 湖北武汉 430070)摘 要:如何处理好瞬态变化的网格是发动机三维瞬态流动计算的一个瓶颈问题,对于具有屋脊型燃烧室且气门数量较多的发动机来说,这一问题更为突出。
本文结合发动机三维瞬态流动程序K I V A ,以具有屋脊型燃烧室的四气门汽油机C V 20为例,从分块结构化网格的建立及计算过程中对网格的动态调整两方面,提出了针对该类型气门布置方式的计算网格处理办法,确保网格能够有效满足整个发动机三维瞬态封闭循环计算的要求。
关键词:屋脊型 燃烧室 三维 瞬态 计算网格 动态调整中图分类号:T K 421.44 文献标识码:A 文章编号:1671-0630(2008)02-0001-04I n t a k e p o r t -C y l i n d e r -E x h a u s t p o r t B l o c k -s t r u c t u r e dG r i d s C o n s t r u c t i o na n di t s D y n a m i c A d j u s t m e n t o fE n g i n e w i t hP e n t r o o f C o m b u s t i o nR o o mC h e n G u o h u a ,Wa n g X i a o y uI n s t i t u t e o f E n e r g y ＆P o w e r C o l l e g e ,H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e ＆T e c h n o l o g yA b s t r a c t :H o wt o a l w a y s p r o v i d e a g o o d g r i d q u a l i t y i s t h e k e y p r o b l e mi n t h e t h r e e -d i m e n s i o n a l t r a n s i e n t e n -g i n e s i m u l a t i o n ,e s p e c i a l l y w h e n t h e e n g i n e h a s a p e n t r o o f -l i k e c o m b u s t i o n r o o ma n d m a n y v a l v e s .T h i s a r t i c l e p r o v i d e s a n e f f i c i e n t m e t h o d i n h a n d l i n g s u c h k i n d o f p r o b l e m s f r o mt w o a s p e c t s ,t h e i n i t i a l g r i d c o n s t r u c t i o n a n d i t s d y n a m i c a d j u s t m e n t .T h e m e t h o d w o r k s o n t h e u s e o f K I V Ap r o g r a m ,w i t h a f o u r -v a l v e p e n t r o o f g a s o -l i n e e n g i n e .K e y w o r d s :P e n t r o o f ,C o m b u s t i o n r o o m ,T h r e e -d i m e n s i o n a l ,T r a n s i e n t ,G r i d ,D y n a m i c a d j u s t m e n t引言对于发动机的缸内三维瞬态流动计算而言,建立有效的计算网格是保证数值模型在流体计算区域内差分求解的重要一环。
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内燃机缸内气体 CFD瞬态分析中动态网格划分技术3
张 志 荣 ,冉 景 煜 ,张 力 ,蒲 舸
(重庆大学 能源与环境研究所 ,重庆 400030)
摘 要 :文中深入分析了在发动机 CFD 瞬态分析中的 4类动态网格划分技术 :弹性平滑方法 、动态
层方法 、局部重划方法和 ALE方法. 在此基础上 ,研究分析了发动机 CFD 瞬态分析中动态网格划分技
1 实现动态网格的方法
在发动机的瞬态数值模拟中存在运动边界 (即进 排气气门和气缸活塞运动 ) ,二者的运动必然引起内 部流场的变化. 因此必须采用动态网格对计算模型进 行划分才能保证发动机瞬态数值模拟结果的可靠性. 目前发动机瞬态模拟动态网格划分主要有 4 种方法 : 弹性平滑 ( Sp ring - B ase Smoothing M ethod) 、动态层法 (Dynam ic Layering M ethod ) 、局 部 重 划 方 法 ( Local Remeshing M ethod)和 ALE方法 (A rbitrary Langrangian
( a)边界运动前 ( b)边界运动后
图 2 动态层方法的使用
1. 3 局部重划方法
局部重划方法是对弹性平滑方法在三角形网格和
四面体网格应用方面的另一个补充. 这类网格在被拉
伸或压缩时 ,容易产生网格质量恶化或网格形状退化 ,
必然引起计算不能收敛. 应用此方法时必须定义网格
的最大尺寸和最小尺寸 ,以及容许网格偏斜的最大倾
2 组合式发动机动态网格划分技术的提出
从发动机瞬态模拟的文献看 ,现有的动态网格技 术主要存在以下 2个缺陷 : 1)网格动态过程对气缸形 状的适应性不好 ,有的技术只能计算进气门与气缸垂 直分布的情况 ; 2)在计算过程中网格变化与实际流场 变化适应性不好 ,容易出现流场失真现象. 另外 ,内燃 机三维瞬态数值模拟中实现动态网格的关键技术是对 网格划分和时间步长设定. 网格划分的好坏和时间步 长设定合理与否都直接影响到模拟结果的准确性.
Eulaerian Elem ent). 1. 1 弹性平滑方法
弹性平滑方法通过调整已知移动边界节点位移的 控制容积的内部节点 ,来实现网格的动态变化如图 1 所示. 该方法只调整网格节点的位置 ,不改变网格的连 接方式 ,适用于结构化网格和非结构化网格. 对于任意 一个给定位移的边界节点将按一定比例生成力 ,通过 弹性连接传递给与它直接连接的每一个节点 ,从而将 位移扩散到整个区域. 考虑到守恒性 ,每一个节点上的 合力必须为零. 1. 2 动态层方法
2005年 11月 第 28卷第 11期
重庆大学学报 (自然科学版 ) Journal of Chongqing University (Nɑturɑl Science Edition)
文章编号 : 1000 - 582X (2005) 11 - 0097 - 04
Nov. 2005 Vol. 28 No. 11
化. 对于区域 B ,随着 2 个移动边界的运动 ,其区域大 小变化不突出 ,只是形状在不断变化 ,运用弹性平滑方 法可以实现网格节点位置的调整 ,但在网格被拉伸或 压缩时 ,容易产生网格质量恶化或网格形状退化 ,必然 引起计算不能收敛 ,这时 ,就需要应用局部重划方法来 避免. 因应用局部重划方法可以定义网格的最大尺寸 和最小尺寸 ,以及容许网格偏斜的最大倾斜度 ,从而避 免网格质量的退化. 凡是大于最大尺寸 、小于最小尺寸 或超过定义的倾斜度网格都要重新划分.
关键词 :发动机 ; CFD;动网格
中图分类号 : TK402
文献标识码 : A
当前由于能源危机和环境恶化 ,各国汽车设计大 力向高效节能低污染的方向发展. 因而发动机的优化 设计成为汽车设计研究者攻关的主要课题. 通常有两 种方法 :一种是实验方法 [ 1 - 3 ] ,另一种是计算机仿真设 计方法. 实验方法的结果具有较好的可靠性 ,但重复实 验造成设计周期长 、效率低 、费用高. 后一种方法 ,随着 计算机技术的飞速发展和相关理论的进一步成熟 (如 计算流体力学 、化学反应动力学 、燃烧学 、数值分析 、计 算几何等 ) ,该方法越来越受到国内外学者的青睐. 在 国外 ,发动机 CFD 的数值模拟已经相当成熟 [ 4 - 5 ] ,在 实验仪器不能精确测定的地方 ,数值模拟也取得与理 论分析相一致的结果 ,可见数值模拟在内燃机优化设 计中起着不可替代的作用 [ 5 ]. 我国在这方面与国外还 存在较大差距 ,主要在于进气道 —气门 —缸内系统三 维流动模拟还停留在稳态阶段 ,对瞬态情况模拟鲜有 报导. 研究发现 ,发动机燃烧前一时刻气缸内的流场状 态是能否高效燃烧的关键之一. 在发动机进排气过程 CFD分析中 ,只有对进气道 —气门 —缸内系统进行瞬 态模拟的结果才能真实反映缸内的流场变化情况. 该 流场的瞬态过程有多个运动边界 ,边界的运动决定了 流场状态随时间的变化 ,所以单一的固定网格不能满 足瞬态数值模拟的要求. 模型的网格必须随时间随边 界的运动而不断变化 ,这样才能客观地反映内燃机进 气道 —气门 —缸内系统中流场变化的过程.
( a)初始模型网格划分情况
( b)进气过程网格的运动情况 图 5 二维结构算例
二维问题类似. 通过程序控制活塞与气门的运动 ,实现 了各部件运动过程的仿真.
图 6 ( b)显示了曲轴转角为 180°时计算得到的网 格结构. 网格数量从初始 33 507个变化为进气结束时 的 64 177个. 图 7为计算得到的发动机缸内流场的运 动变化情况 ,图中所示为进气过程中不同时刻缸内不 同高度 (H表示径向截面到气缸顶部的距离 ,ω表示曲 轴转角 )的径向截面流线分布图.
会被自动划分. 其中 ,上述 3种方法都是建立在有限容
积法基础之上. 在流场的计算中 ,它们处理动态网格都 是以 (1)式所示的守恒方程为准则. 对于普通变量 Φ ,
在任一具有运动边界的控制容积内 ,其守恒方程可以
写为 :
∫ ∫ d ρΦ dv
dt v
+
ρΦ (ϖu
5v
-
ϖ
ug )
·d
ϖ
=A
=
∫ ∫ Γ Φ ·dAϖ + SΦ dV .
术的改进措施 ,提出了基于有限容积法的组合式动态网格技术更为适合发动机 CFD 瞬态分析中动态网
格划分. 最后 ,文中还以屋顶式双气门发动机为例进行了二维动态网格划分 ,并且运用基于有限容积法
的组合式发动机动态网格技术方法实现了切向进气道发动机进气过程的三维瞬态数值模拟 ,得到了与
实验观察相一致的结果.
第 28卷第 11期 张志荣 ,等 : 内燃机缸内气体 CFD瞬态分析中动态网格划分技术
99
而且可以根据进气阀的运动快慢设定不同的时间步
长 ,网格在动态变化过程中的疏密分布与流场变化情 况适应性较好 ,可以保证模拟结果不失真.
图 4所示的为基于控制容积法的组合式动态网格 划分技术中 3种方法有机结合的情况. 图中 A 和 B 代 表 2个区域 ,设移动边界 1和 2两者同时向下运动 , 移 动的速度略有差别. 当移动边界 1运动时 ,区域 A 空间 要增大 ,运用弹性平滑方法可以实现随移动边界 1 运 动网格节点位置的改变 ,但是随着移动边界 1的运动 , 缸内流体质点也在增加 , 因此仅通过改变网格的位置 并不能实现网格数量的增加. 动态层方法可以实现网 格数量的增加 ,因此 , 在移动边界 1 运动时 , 同时运用 弹性平滑和动态层方法可以很好地适应缸内流场的变
上述的弹性平滑 、动态层方法和局部重划方法虽 然易于实现 ,但单独运用其中之一存在不足. 弹性平滑 方法通过改变网格节点的位置而压缩或拉伸网格 ,但 容易造成网格过稀或过密 ;动态层方法是添加或删除 网格层 ,仅此一项不能保证网格节点上的受力平衡 ;局 部重划方法是弹性平滑方法的补充. 而 ALE方法存在 迁移的影响 [ 12 - 13 ] , 需要研究简单的 、有效的 ALE 计 算格式 (包括网格运动算法 、方程的求解策略 、迁移影 响的处理等 ). 另外 , ALE方法多用于结构力学变形方 面的计算 ,计算工作量大 ,而且在求解流动与换热问题 方面不如有限容积法成熟 [ 13 ].
动态层方法是基于弹性平滑方法之上 ,在距运动
3 收稿日期 : 2005 - 06 - 11 基金项目 :重庆市自然科学基金项目 (2003 - 7956) 作者简介 :张志荣 (1975 - ) ,女 ,山西五台人 ,重庆大学硕士研究生 ,主要研究方向为发动机内流动与传热.
98
重庆大学学报 (自然科学版 ) 2005年
针对目前动态网格技术的不足 ,笔者提出把弹性 平滑 、动态层方法和局部重划三者相结合使用的方法 , 称为基于控制容积法的组合式动态网格划分技术. 它 不仅容易实现 ,而且灵活性好 ,能够保证在压缩或拉伸 过程中网格不出现死点 (即不连通 )和烂面 ,能保证网 格质量不恶化. 能处理进气门与气缸不同的布置情况 ,
斜度. 凡是大于最大尺寸 、小于最小尺寸或超过定义的 倾斜度网格都要重新划分. 与动态层法不同的是该方
法是将与运动边界相连的网格重新划分 ,而不是简单
增加网格层. 如图 3 所示 ,图形左边的面为运动边界 ,
它沿轴线方向拉伸圆柱体 ,当紧贴运动边界的网格层
高度超过规定的限度时 ,就会分为 2层. 产生的新层将
( a)使用前 ( b)使用后 图 1 弹性平滑方法的使用
边界一定高度的地方添加或删除网格层. 这样就可以 避免网格在被拉伸或压缩的过程中形成的网格过稀或
过密. 应用动态层方法必须为运动边界的网格层定义 一个理想的高度 hi , 作为细分或合并网格层的判断准 则. 如图 2所示 ,图形最下方边界为沿竖直方向向下运 动的边界. 随着边界的运动 ,紧贴运动边界的网格层被 拉伸 ,当该层的高度 , 网格层就会根据已定义的高度 h > ( 1 +αh ) hi 被分成两层 , 其中一层的高度是 hi , 另 一层的高度是 h - hi. 反之 ,当网格被压缩时 ,如果紧贴 运动边界的网格层高度满足 h <αh hi 时 ,该层和与它 相连网格层就会合并成一个新的层. 在发动机的数值 模拟中 ,适用于发动机气缸和气门的动态网格划分.