基于CFD的发动机进气道优化设计
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3)固定壁面边界选择绝热无滑移 ,采用标准壁面 函数对边界层进行处理 ;
41
小 型 内 燃 机 与 摩 托 车 第 38卷
4)不考虑气缸套与流体之间的热交换 ,在这里只 激活需要求解的方程 ———质量守恒方程 、动量守恒方 程以及标准 k - ε方程 (湍动能和耗散率方程 ) ;
机 ,样机试制后进行性能测试 ,发动机整体性能离设计
目标要求存在一定的差距 。经查找原因 ,发现发动机
的进气道的原始设计不合理 ,同时进气道的实物质量
也有些问题 。为此 ,本文利用 AVL - F IER软件建立了
原型发动机进气道 CFD 模型 ,对原型发动机的进气道
进行了三维稳态 CFD 分析和优化 。
图 2是三维稳态的流动计算的速度剖面图 ,从图 中可知 ,圆圈处就是气体进入气缸的流动分离剧烈的 地方 ,由于流动分离 ,使得气门与座圈之间的空间没有 得到完全利用 ,结果显示流量系数只有 0. 5314 (实测 0. 53) ,当量流动面积只有 240mm2 ,这对于高速的进 气是十分不利的 。
的一致性 [ 7 ] 。同时可知该原始进气道的流量系数比 通常认为的理想值 0. 7 差距比较大 ,说明原始进气道 有很大的改进余地 。此外 ,从原始进气道三维稳态的 流动计算的速度剖面图中可以看出 ,在图中的 a标记 部位存在流动分离区 。
O ptim um D esign of In let A ir Core of Eng ine by CFD Technology
Peng Be ijing, D eng D inghong, Hu Junfeng, Hu J ingyan
Zhejiang Q ianjiang Motorcycle Co. , L td. (W enling, Zhejiang, 317500, China).
接近于气道稳流试验的真实状态 ,所定义的计算空间 还包括稳压腔 、进气道 、进气门 、进气门座圈 、模拟气缸 套和燃烧室 。其中在进气道入口所加的正方形稳压腔 的边长为 3d (其中 d为进气道入口直径 ) ,气缸套长度 取为 2. 5D (D 为气缸直径 ) ,与试验用模拟气缸套长度 基本保持一致 。 2. 2 计算模型的建立及网格划分
4 进气道模型的优化设计和分析
4. 1 对原进气道的改进方案包括以下两方面 : 1)增大气门座直径 ,以便增加进气道的流通能
力 ,提高高转速下的充量系数 ; 2)优化进气道的形状 ,以消除流动分离现象 。
4. 2 改进后进气道计算模型如图 3 进气道根据上述方案改进后重新进行三维稳态的
流动计算 ,其速度剖面图见图 4,结果显示 ,流动分离 区消除了 ; 同时进气道流动的当量面积由原来的 240mm2 增大到了 330mm2 ,增大了 33%。改进后的进 气道流量系数最大值达到了 0. 64,比原始进气道流量 系数最大值 (0. 53)增大了近 21%。
Abstract: The gas flow ing characteristic of intake and exhaust system in engine is very comp lex. It could not only affect the volumetric efficiency and the gas exchange loss, but also has important influence on the dynam2 ic p roperty and econom ical efficiency. During the development of a new type 125cc water2cooling engine, the samp le engine performance test indicates that the integrity performance has a gap comparing to the original de2 sign requirements and the original design of intake passage has some defects. In this passage, a CFD model of the p rototype engine’s intake gas passage was built using AVL - F IER and a 3D steady CFD analysis and op ti2 m ization were carried out. A t first, the original gas passage model was validated by the test result, then op ti2 m um analysis basic on the model was p rocessed. The calculation results show that the flux coefficient of the op tim ized real passage is 21% larger than that of the original one; the original real passage was imp roved ac2 cording to the op tim ized solution, and the contrasting test result show s that the flux coefficient is larger than the original one by 19%. Keywords: Engine, Inlet air core, CFD , AVL - F IER
方法主要是在进气道流量测试台上反复的进行对比试
验 ,时间周期长且有一定的盲目性 [ 4 ] 。利用 CFD / Fire
技术可以对进气道的 CAD 模型进行流场模拟并将其
可视化 ,能更加直观的显示出流动结构的不合理之处 ,
使进气道的结构改进更具有针对性 。
本公司全新设计 、开发了一款水冷 125mL 发动
图 1 原始进气道的计算模型
2. 3 计算的边界条件 为了与气道稳流试验结果进行准确对比 ,并保证
计算的收敛性 ,在 AVL F IRE软件中设定与气道稳流 试验相一致的边界条件 :
1)进口边界采用总压 ,其值为环境大气压 ,进气 道压差取 2. 5kPa;
2)根据上述压差值设置出口静压 ,同时为了避免 进口和出口的总质量流量在计算时发生太大的振荡 , 初始压力必须近似等于出口压力边界条件的压力 ;
第 38卷 第 3期 2009年 6月
小型内燃机与摩托车 SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLE
源自文库
Vol. 38 No. 3 Jun. 2009
·设计 ·计算 ·
基于 CFD 的发动机进气道优化设计
彭北京 邓定红 胡军峰 胡景彦 (浙江钱江摩托股份有限公司 浙江 温岭 317500)
1 数学模型
流体的控制方程是反映流体本质的数学模型 ,即
反映流体的各个物理量之间的关系的微分方程和定解
条件 。流体的基本控制方程 [ 5 ]通常包括质量守恒方
程 (连续性方程 ) 、动量守恒方程 (Navier - Stokes方
程 ) 、能量守恒方程以及这些方程的定解条件 。进气
道内的流动属于湍流流动 ,需要附加反映湍流特性的 k - ε双方程控制模型 ,得到描述进气道内流动区域特
摘 要 :发动机进排气系统的气体流动特性复杂 ,影响发动机的充气效率和换气损失 ,对发动机的动力 性和经济性有重要的影响 。在某水冷 125mL 发动机研制过程中 ,样机性能测试表明 ,发动机整体性能 偏离设计目标要求 ,发动机的进气道的设计存在缺陷 。本文利用 AVL - F IER软件建立了原型发动机进 气道 CFD 模型 ,进行三维稳态 CFD 分析和优化 。首先利用实验结果验证了原始气道计算模型 ,并进行 优化分析 。计算结果表明 ,优化后的进气道比原始进气道流量系数最大值增大了近 21%。按优化后的 方案对原始气道实物进行改进 ,样机对比测试结果表明 ,按优化后的方案改进的气道实测流量系数比原 始气道增大了 19%。 关键词 :发动机 进气道 CFD AVL - F IER 中图分类号 : 412. 44 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 - 0630 (2009) 03 - 0040 - 04
本文计算网格由 AVL F IRE软件 [ 6 ]自动网格生成 器 FAM E HYB IRD 生成 ,为了保证计算精度 ,在气门座 圈及气门密封面等部位最小网格尺寸为 0. 5mm ,稳压 腔网格最大尺寸为 8mm ,网格总数约为 80万 ,网格主 要由六面体单元组成 ,另外还包括少量的五面体和四 面体 。图 1是原始进气道的计算模型 :
性的质量 、动量 、湍流动能及其耗散率的偏微分方程
组 ,然后对各瞬态未知量进行雷诺平均 ,并写成以下通
用形式 :
5 5t
(ρφ)
+
5 5xi
(ρuiφ)
=
5 5xi
(Dφ
5φ) 5xi
+ Sφ
(1)
式中 :ρ为密度 , t为时间 ; xi 为位移矢量 在 x、y 和 z
方向上的分量 ; ui 为速度矢量 在 x、y 和 z方向上的
由于计算空间的剖面和表面曲率变化复杂 ,因此 合理的构造计算空间的网格对计算的精度和收敛性都 有极大的影响 。本文采用分块式网格划分方法构建计 算空间的三维网格 ,对于形状规则的稳压腔以及模拟 气缸套区域 ,全部采用结构化的正六面体网格 ;对于形 状变化复杂的进气道 、进气门 、进气门座圈和燃烧室区 域 ,采用非结构化的四面体网格 。这种方法使网格的 数量大大减少 ,增加了计算收敛的速度 ;同时保证了网 格更能真实模拟实物状态 ,使计算精度更高 。
等 。如何对这些参数进行优化一直是发动机开发中很
重要的一个环节 。发动机进 、排气系统的气体流动特
性对发动机的动力性和经济性有重要的影响 。进气道
的结构复杂 ,其关键部位的尺寸对进气流动影响很大 ,
因此找到这些关键部位并合理地修改其结构将是进气
道改进工作的重点 [ 1 - 3 ] 。传统模式下对进气道的改进
5)设定收敛准则时收敛精度设为 2 ×10 - 5 ,当各 方程迭代残差均小于收敛精度时 ,认为计算收敛 ,设定 最大迭代循环数为 3000,计算结果以流量系数和滚流 比值趋于稳定判断收敛 。
3 进气道模型计算结果和试验验证
3. 1 气道流量试验 目前气道流量试验台比较权威的研究机构是 R i2
cardo、AVL、FEV 世 界 三 大 发 动 机 设 计 公 司 和 美 国 SouthW est研究 院 等 。本 文 气 道 流 量 试 验 采 用 的 是 AVL 气道流量试验台 ,其最大特点是对滚流测量采用 激光多普勒 (LDA )测速技术 。该测量方法具有高精 度 、高重复性 ,对测量流场无任何干扰等特点 。气道试 验开发通常分为两个阶段 ,前期试验用气道模型采用 芯盒模型 ,进行气道选型与优化 ,在气缸盖设计完毕后 再采用气缸盖直接进行气道流量试验进行验证性试 验 。基于不同的假定条件 ,各大发动机设计公司都衍 生出了各自气道性能评价体系 ,其流量系数及滚流比 计算方法各不相同 ,本文中所使用的是 AVL 气道性能 评价体系 。 3. 2 原始进气道模型计算结果分析
引言
在发动机开发设计阶段 ,性能参数是非常重要的
考查指标 ,其中有很多参数都要进行优化 ,比如进气 道 、凸轮型线 、压缩比 、进气管内径 、化油器进气孔大小
作者简介 :彭北京 (1976 - ) ,男 ,大本 ,高级工程师 ,研究方向为发动机开发及分析 。
第 3期
彭北京等 : 基于 CFD 的发动机进气道优化设计
分量 。
2 数值模拟计算
2. 1 几何模型的建立
气道的几何模型是在 Pro / E中建立的 。首先画出
气道的轨迹线和剖面轮廓线 ,作为气道的基本框架 ,再
用边界混合工具 (Boundary blend tools)建立气道曲面 , 最后将曲面内填充成实体 ,得到气道的几何模型 。
为了使计算更好收敛 ,同时也为了使模拟计算更
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小 型 内 燃 机 与 摩 托 车 第 38卷
4)不考虑气缸套与流体之间的热交换 ,在这里只 激活需要求解的方程 ———质量守恒方程 、动量守恒方 程以及标准 k - ε方程 (湍动能和耗散率方程 ) ;
机 ,样机试制后进行性能测试 ,发动机整体性能离设计
目标要求存在一定的差距 。经查找原因 ,发现发动机
的进气道的原始设计不合理 ,同时进气道的实物质量
也有些问题 。为此 ,本文利用 AVL - F IER软件建立了
原型发动机进气道 CFD 模型 ,对原型发动机的进气道
进行了三维稳态 CFD 分析和优化 。
图 2是三维稳态的流动计算的速度剖面图 ,从图 中可知 ,圆圈处就是气体进入气缸的流动分离剧烈的 地方 ,由于流动分离 ,使得气门与座圈之间的空间没有 得到完全利用 ,结果显示流量系数只有 0. 5314 (实测 0. 53) ,当量流动面积只有 240mm2 ,这对于高速的进 气是十分不利的 。
的一致性 [ 7 ] 。同时可知该原始进气道的流量系数比 通常认为的理想值 0. 7 差距比较大 ,说明原始进气道 有很大的改进余地 。此外 ,从原始进气道三维稳态的 流动计算的速度剖面图中可以看出 ,在图中的 a标记 部位存在流动分离区 。
O ptim um D esign of In let A ir Core of Eng ine by CFD Technology
Peng Be ijing, D eng D inghong, Hu Junfeng, Hu J ingyan
Zhejiang Q ianjiang Motorcycle Co. , L td. (W enling, Zhejiang, 317500, China).
接近于气道稳流试验的真实状态 ,所定义的计算空间 还包括稳压腔 、进气道 、进气门 、进气门座圈 、模拟气缸 套和燃烧室 。其中在进气道入口所加的正方形稳压腔 的边长为 3d (其中 d为进气道入口直径 ) ,气缸套长度 取为 2. 5D (D 为气缸直径 ) ,与试验用模拟气缸套长度 基本保持一致 。 2. 2 计算模型的建立及网格划分
4 进气道模型的优化设计和分析
4. 1 对原进气道的改进方案包括以下两方面 : 1)增大气门座直径 ,以便增加进气道的流通能
力 ,提高高转速下的充量系数 ; 2)优化进气道的形状 ,以消除流动分离现象 。
4. 2 改进后进气道计算模型如图 3 进气道根据上述方案改进后重新进行三维稳态的
流动计算 ,其速度剖面图见图 4,结果显示 ,流动分离 区消除了 ; 同时进气道流动的当量面积由原来的 240mm2 增大到了 330mm2 ,增大了 33%。改进后的进 气道流量系数最大值达到了 0. 64,比原始进气道流量 系数最大值 (0. 53)增大了近 21%。
Abstract: The gas flow ing characteristic of intake and exhaust system in engine is very comp lex. It could not only affect the volumetric efficiency and the gas exchange loss, but also has important influence on the dynam2 ic p roperty and econom ical efficiency. During the development of a new type 125cc water2cooling engine, the samp le engine performance test indicates that the integrity performance has a gap comparing to the original de2 sign requirements and the original design of intake passage has some defects. In this passage, a CFD model of the p rototype engine’s intake gas passage was built using AVL - F IER and a 3D steady CFD analysis and op ti2 m ization were carried out. A t first, the original gas passage model was validated by the test result, then op ti2 m um analysis basic on the model was p rocessed. The calculation results show that the flux coefficient of the op tim ized real passage is 21% larger than that of the original one; the original real passage was imp roved ac2 cording to the op tim ized solution, and the contrasting test result show s that the flux coefficient is larger than the original one by 19%. Keywords: Engine, Inlet air core, CFD , AVL - F IER
方法主要是在进气道流量测试台上反复的进行对比试
验 ,时间周期长且有一定的盲目性 [ 4 ] 。利用 CFD / Fire
技术可以对进气道的 CAD 模型进行流场模拟并将其
可视化 ,能更加直观的显示出流动结构的不合理之处 ,
使进气道的结构改进更具有针对性 。
本公司全新设计 、开发了一款水冷 125mL 发动
图 1 原始进气道的计算模型
2. 3 计算的边界条件 为了与气道稳流试验结果进行准确对比 ,并保证
计算的收敛性 ,在 AVL F IRE软件中设定与气道稳流 试验相一致的边界条件 :
1)进口边界采用总压 ,其值为环境大气压 ,进气 道压差取 2. 5kPa;
2)根据上述压差值设置出口静压 ,同时为了避免 进口和出口的总质量流量在计算时发生太大的振荡 , 初始压力必须近似等于出口压力边界条件的压力 ;
第 38卷 第 3期 2009年 6月
小型内燃机与摩托车 SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLE
源自文库
Vol. 38 No. 3 Jun. 2009
·设计 ·计算 ·
基于 CFD 的发动机进气道优化设计
彭北京 邓定红 胡军峰 胡景彦 (浙江钱江摩托股份有限公司 浙江 温岭 317500)
1 数学模型
流体的控制方程是反映流体本质的数学模型 ,即
反映流体的各个物理量之间的关系的微分方程和定解
条件 。流体的基本控制方程 [ 5 ]通常包括质量守恒方
程 (连续性方程 ) 、动量守恒方程 (Navier - Stokes方
程 ) 、能量守恒方程以及这些方程的定解条件 。进气
道内的流动属于湍流流动 ,需要附加反映湍流特性的 k - ε双方程控制模型 ,得到描述进气道内流动区域特
摘 要 :发动机进排气系统的气体流动特性复杂 ,影响发动机的充气效率和换气损失 ,对发动机的动力 性和经济性有重要的影响 。在某水冷 125mL 发动机研制过程中 ,样机性能测试表明 ,发动机整体性能 偏离设计目标要求 ,发动机的进气道的设计存在缺陷 。本文利用 AVL - F IER软件建立了原型发动机进 气道 CFD 模型 ,进行三维稳态 CFD 分析和优化 。首先利用实验结果验证了原始气道计算模型 ,并进行 优化分析 。计算结果表明 ,优化后的进气道比原始进气道流量系数最大值增大了近 21%。按优化后的 方案对原始气道实物进行改进 ,样机对比测试结果表明 ,按优化后的方案改进的气道实测流量系数比原 始气道增大了 19%。 关键词 :发动机 进气道 CFD AVL - F IER 中图分类号 : 412. 44 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 - 0630 (2009) 03 - 0040 - 04
本文计算网格由 AVL F IRE软件 [ 6 ]自动网格生成 器 FAM E HYB IRD 生成 ,为了保证计算精度 ,在气门座 圈及气门密封面等部位最小网格尺寸为 0. 5mm ,稳压 腔网格最大尺寸为 8mm ,网格总数约为 80万 ,网格主 要由六面体单元组成 ,另外还包括少量的五面体和四 面体 。图 1是原始进气道的计算模型 :
性的质量 、动量 、湍流动能及其耗散率的偏微分方程
组 ,然后对各瞬态未知量进行雷诺平均 ,并写成以下通
用形式 :
5 5t
(ρφ)
+
5 5xi
(ρuiφ)
=
5 5xi
(Dφ
5φ) 5xi
+ Sφ
(1)
式中 :ρ为密度 , t为时间 ; xi 为位移矢量 在 x、y 和 z
方向上的分量 ; ui 为速度矢量 在 x、y 和 z方向上的
由于计算空间的剖面和表面曲率变化复杂 ,因此 合理的构造计算空间的网格对计算的精度和收敛性都 有极大的影响 。本文采用分块式网格划分方法构建计 算空间的三维网格 ,对于形状规则的稳压腔以及模拟 气缸套区域 ,全部采用结构化的正六面体网格 ;对于形 状变化复杂的进气道 、进气门 、进气门座圈和燃烧室区 域 ,采用非结构化的四面体网格 。这种方法使网格的 数量大大减少 ,增加了计算收敛的速度 ;同时保证了网 格更能真实模拟实物状态 ,使计算精度更高 。
等 。如何对这些参数进行优化一直是发动机开发中很
重要的一个环节 。发动机进 、排气系统的气体流动特
性对发动机的动力性和经济性有重要的影响 。进气道
的结构复杂 ,其关键部位的尺寸对进气流动影响很大 ,
因此找到这些关键部位并合理地修改其结构将是进气
道改进工作的重点 [ 1 - 3 ] 。传统模式下对进气道的改进
5)设定收敛准则时收敛精度设为 2 ×10 - 5 ,当各 方程迭代残差均小于收敛精度时 ,认为计算收敛 ,设定 最大迭代循环数为 3000,计算结果以流量系数和滚流 比值趋于稳定判断收敛 。
3 进气道模型计算结果和试验验证
3. 1 气道流量试验 目前气道流量试验台比较权威的研究机构是 R i2
cardo、AVL、FEV 世 界 三 大 发 动 机 设 计 公 司 和 美 国 SouthW est研究 院 等 。本 文 气 道 流 量 试 验 采 用 的 是 AVL 气道流量试验台 ,其最大特点是对滚流测量采用 激光多普勒 (LDA )测速技术 。该测量方法具有高精 度 、高重复性 ,对测量流场无任何干扰等特点 。气道试 验开发通常分为两个阶段 ,前期试验用气道模型采用 芯盒模型 ,进行气道选型与优化 ,在气缸盖设计完毕后 再采用气缸盖直接进行气道流量试验进行验证性试 验 。基于不同的假定条件 ,各大发动机设计公司都衍 生出了各自气道性能评价体系 ,其流量系数及滚流比 计算方法各不相同 ,本文中所使用的是 AVL 气道性能 评价体系 。 3. 2 原始进气道模型计算结果分析
引言
在发动机开发设计阶段 ,性能参数是非常重要的
考查指标 ,其中有很多参数都要进行优化 ,比如进气 道 、凸轮型线 、压缩比 、进气管内径 、化油器进气孔大小
作者简介 :彭北京 (1976 - ) ,男 ,大本 ,高级工程师 ,研究方向为发动机开发及分析 。
第 3期
彭北京等 : 基于 CFD 的发动机进气道优化设计
分量 。
2 数值模拟计算
2. 1 几何模型的建立
气道的几何模型是在 Pro / E中建立的 。首先画出
气道的轨迹线和剖面轮廓线 ,作为气道的基本框架 ,再
用边界混合工具 (Boundary blend tools)建立气道曲面 , 最后将曲面内填充成实体 ,得到气道的几何模型 。
为了使计算更好收敛 ,同时也为了使模拟计算更