发动机系统热流体分析

1、1发动机热流体分析发动机热流体分析Engine Thermal Fluids Analysis2一、热流体分析概述一、热流体分析概述二、热流体分析方法二、热流体分析方法三、关键问题及难点三、关键问题及难点四、气动噪声分析基础四、气动噪声分析基础3 发动机系统 热流体分析目的 热流体分析内容41. 进排气系统 气缸/燃料电池堆 涡轮增压/空压机、EGR2. 热系统 冷却水套、水泵、温控阀、散热器 风扇、发动机舱、车身 空调系统3. 燃油系统 单体泵系统 共轨供油系统4. 润滑系统 机油冷却器 机油泵和其它部件 发动机系统5热流体分析目的 提高发动机性能 动力性：功率、转矩 经济性：燃油消耗率 排

2、放、噪声、冷起动 可靠性、耐久性6热流体分析内容研究发动机系统工质的流动、传热、能量转换过程等在时间空间域中的变化规律，系统输入变量与输出变量的相互关系，各种因素对发动机性能的影响。7一、热流体分析概述一、热流体分析概述二、热流体分析方法二、热流体分析方法三、关键问题及难点三、关键问题及难点四、气动噪声分析基础四、气动噪声分析基础8 理论基础 物理数学建模 数值计算9理论基础 发动机热流体力学 工程热力学 流体力学 传热学 发动机原理10 热力学第二定律：热力过程的方向、条件和限制 热力学第一定律：能量转换的守恒关系 工程热力学 Engineering Thermodynamicssqhw 1

3、2,x Ix Qx Hx Houteeeew 热力学第三定律：熵的基准点选择与绝对熵的计算 0lim()0TS11 动量方程：动量守恒 连续方程：质量守恒 流体力学 Fluid Mechanics 能量方程：能量守恒（热力学第一定律） 0vt2113DvfpvvDt 12 Newton公式：对流换热 Fourier定律：导热 传热学 Heat Transfer StefanBoltzmann定律：热辐射 ( )qt grad()wfqh tt4bET13 发动机动力输出与能量利用 发动机缸内流动、燃烧与传热 发动机进排气管流动与传热 废气涡轮增压、EGR 发动机排放和噪声 发动机原理 Engi

4、ne Fundamentals14物理数学建模 发动机系统特点 单元过程、再循环结构 分布参数、工作过程复杂相互影响 刚性、非线性、多变量多回路 物理建模：对实际系统和流动进行简化。 系统分解、过程分离 集总参数化、三维建模 数学模型确定热流体动力学方程及定解条件。（对一个系统进行热流体分析研究，必须首先建立描述该系统动力学过程的数学模型，即系统的一次建模过程）。15数值计算 建立了描述发动机系统的动力学过程数学模型，将其转换为能在计算机上运行的仿真模型，才能进行热流体仿真分析。该转化过程也称为系统的二次建模过程。 容积法：忽略管内非定常压力波动 小扰动法：限制压力脉动大小 特征线法：偏微分方

5、程转为常微分方程 有限体积法：偏微分方程16一、热流体分析概述一、热流体分析概述二、热流体分析方法二、热流体分析方法三、关键问题及难点三、关键问题及难点四、气动噪声基础四、气动噪声基础17 非定常旋涡流动，是发动机热流体及性能分析的关键问题与难点。非定常流是指任意变换参考系，其流场的物理量均随时间而变化的一类流动。旋涡是指流场中涡量相对集中的有限区域。18目前发动机性能或工作过程的模拟研究，对发动机实际复杂流动机理研究有待深入，分析得出的结果会和实际结果有一定差异。比如气动噪声分析，涉及复杂的波涡相互作用，而当前内燃机的噪声分析主要应用古典声学理论进行分析，难以有效指导实际工程设计。19 非定

6、常粘性流 非定常湍流 涡量的产生、扩散与耗散 湍流中的涡结构 波涡相互作用20非定常粘性流 一类是外来扰动下粘性流的响应。比如涡轮增压器叶片的旋转、气缸活塞运动等引起，可归结为边界条件变化而引起的动力学变化。另一类是流动自身生成的，即使边界条件不变，也会产生非定常流动现象。自由剪切层、喷流、边界层的不稳定和转捩、流动分离和旋涡脱落、旋涡稳定性和破裂、湍流有关流动等均是此类流动。21非定常湍流 非定常湍流的定义本身是含混的，因为湍流的基本特性是非定常的，且非定常性还取决于如何平均。目前的湍流模型，均是基于所谓定常湍流，即边界情况均不随时间变化，更不施加任何外扰动，流动中所存在的随机性的非定常脉动

7、是由流动本身产生的。湍流应力包括两个方面，经典随机脉动所产生的雷诺应力，以及有序脉动的非线性贡献。22涡量的产生、扩散与耗散 旋涡（集中涡）的生成、发展和演化过程，以及旋涡与流动和物体之间的相互作用，支配和决定着整个流场特性和能量转换过程。涡量是流动的一个基本物理量；旋涡是流动的一种基本形态；旋涡又是湍流的一种基本结构；另外，在处理流体力学问题时，涡又是一种基本解。旋涡是流体运动的肌腱。23旋涡运动的稳定性和涡破裂 对基本流动施以小扰动（实际中不可避免），随着时间的推移，这些扰动可能会衰减掉，也可能保持原先的大小，或者持续增长，分别称上述三种情况为流动稳定、流动中性稳定和流动不稳定。旋涡稳定性

8、和环量分布有关，引起旋涡运动失稳的物理机制是离心力的作用。旋涡破裂现象具有三个最本质的特征：在旋涡轴线上形成驻点，在驻点之后有限范围内存在回流区，涡核突然膨胀。24 旋涡破裂现象最本质的特性是其结构上的突然变化，是一种高度非线性现象。旋涡破裂有利有弊。如，在航空发动机燃烧室内，空气由切向进气，形成旋涡，发生破裂后，会形成一个相对稳定的回流区，增加了与燃油的混合，形成一个很好的火焰支持器，有利于改善燃烧室的性能。但在繁忙的航空港上空，飞机起降频繁，前方飞机拖出的强有力尾涡，对紧随其后的飞机安全是一个很大威胁。25湍流中的涡结构 旋涡对湍流研究有重要意义，流动中不同尺度和指向的旋涡相互作用，构成了

9、湍流运动的复杂图像。湍流中各种旋涡的尺度有很大区别，相对小的涡结构是一些复杂而紊乱的随机结构，而相对大的涡结构则是相当有规律的。称这些存在于湍流中相对有规律的结构为相干结构Coherent Structure，或称为拟序结构。26气流传热、燃烧与化学反应、流动噪声、物体受力等，均与湍流中的旋涡和拟序结构有关。27波涡相互作用 流场中常见的波有两类，即纵波和横波。纵波为声波形式的胀压波，它以膨胀和压缩的过程通过正应力作用进行能量传播；横波是通过剪切力作用而进行能量传播，即为涡量波。感受性：在一定条件下，声波和涡量波可以相互转化。如入射声波与不稳定涡波共振放大发射声波。28 整流：受激涡波的振荡分

10、量，它的非零时均效应，类似于电学中的交流变直流，流体中的时均定常流成为整流。一个线性波不会有整流。关键在于，流场的波总是非线性的，只要两个谐波项的相位差不是90度，其乘积一定导致一项整流。这是粘性中最有趣、最重要的现象之一，也是波涡相互作用最有应用价值的效应之一。29 波涡共振：如果强制波（如声波）的频率为涡中不稳定波频率（自然频率）或其1/2、1/3、1/4倍，则可能导致共振。如果这时的频率又恰好与获得最大整流的频率一致，则会导致强的共振整流。分析流场中的波涡共振及其共振整流，对用强制波来调控涡有很重要的现实意义。30v目前发动机性能或工作过程的模拟研究，对发动机实际复杂流动机理研究有待深入

11、，分析得出的结果会和实际结果有一定差异。v非定常旋涡流动，是发动机热流体和性能分析的关键问题与难点。v非定常湍流、湍流中的涡结构、旋涡的稳定性与破裂、波涡相互作用等发动机内部复杂流动现象，影响发动机系统的流动过程、传热过程和能量转换过程，并且是构成发动机流动噪声的重要因素。31一、热流体分析概述一、热流体分析概述二、热流体分析方法二、热流体分析方法三、关键问题及难点三、关键问题及难点四、气动噪声基础四、气动噪声基础32发动机气动噪声运动介质对流体发声的影响风扇/涡轮增压器噪声涡生理论33发动机气动噪声 排气噪声 进气噪声 风扇噪声 涡轮增压器噪声特点：声波在运动介质中传播，流场为复杂的非定常旋

12、涡湍流流动。34运动介质对流体发声的影响 古典声学基本方程： 声波在静止流场中传播。2202201qppfctt 35 气动声学基本方程： Lighthill方程 声波在运动流场中传播。2222002ijijijTDcDy yy y 20()ijijijijTuuepc36风扇/涡轮增压器噪声风扇/涡轮增压器气动噪声可分为两大类，即旋转噪声和涡流噪声。旋转噪声主要来源，一是风扇叶片周期性打击周围气体，引起周围气体压力脉动而产生噪声，二是气流流过叶片后，在叶片尾缘处形成尾迹，尾迹周期性作用于周围气体，产生压力脉动而形成噪声。涡流噪声的产生根源是压力随机脉动，主要有来流紊动、二次涡流、附面层随机脉

13、动以及边界层分离等。37风扇/涡轮增压器气动噪声预测： FWH方程220( )( )ijiijinplffx xxVfft 38涡声理论 Lighthill气动声学基本理论最关键的一步是假定由流体产生的声源是预先知道的（即所谓“拟声源”假设），然后由不同的方法（试验或数值）方法得到流场解和声场解。 由于主管流场和声场的基本方程一致，理论上可直接从方程得到流场解和声场解。将流场和声场人为地分开后，就不能回答诸如声场与流场如何相互作用，声波能量在流体中如何产生、传递等基本问题。所以， Lighthill理论实际上为一种“黑箱”理论。39 声波的产生同流体中地旋涡与势流、以及旋涡之间的相互作用有密切关系，声波能量的形成、转换也是通过这些非线性相互作用来完成的。 涡声方程：Powell方程222022201()()(22ppctuuppct uu40 在低马赫数情况下，忽略高阶小量，简化为22201 ()ppct uPowell方程进一步揭示了涡与声的关系。可以看出，在流速很低的情况下，仅仅存在涡的地方才会产生声音。涡是流体运动的肌腱，涡是流动的声音。41v古典声学方程：声波在静止流场中传播的基本方程。目前发动机气动噪声的预测研究，主要