基于CFD的发动机进气道优化设计

1、设计计算基于CF D 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 I ER 软件建立了原型发动机进气道CF D 模型,进行三维稳态CF D 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

2、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CF D AVL -F I ER中图分类号:412.44文献标识码:A 文章编号:1671-0630(200903-0040-04O pti m u m D esi gn of I n let A i r Core of Eng i n eby CF D TechnologyPeng Be iji n g,D eng D i n ghong,Hu Junfeng,Hu J i n gyanZhejiang Q ianjiang Mot orcycle Co .,L td .(W

3、 enling,Zhejiang,317500,China .Abstract:The gas fl owing characteristic of intake and exhaust syste m in engine is very comp lex .It could not only affect the volumetric efficiency and the gas exchange l oss,but als o has i m portant influence on the dyna m 2ic p r operty and econom ical efficiency

4、.During the devel opment of a ne w type 125cc water 2cooling engine,the sa mp le engine perf or mance test indicates that the integrity perf or mance has a gap comparing t o the original de 2sign require ments and the original design of intake passage has s ome defects .I n this passage,a CF D model

5、 of the p r ot oty pe engines intake gas passage was built using AVL -F I ER and a 3D steady CF D analysis and op ti 2m izati on were carried out .A t first,the original gas passage model was validated by the test result,then op ti 2mu m analysis basic on the model was p r ocessed .The calculati on

6、results show that the flux coefficient of the op ti m ized real passage is 21%larger than that of the original one;the original real passage was i m p r oved ac 2cording t o the op ti m ized s oluti on,and the contrasting test result shows that the flux coefficient is larger than the original one by

7、 19%.Keywords:Engine,I nlet air core,CF D ,AVL -F I ER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38卷第3期2009年6月小型内燃机与摩托车S MALL I N TERNAL COMBUSTI O N ENGI N E AND MOT ORCYCLE Vol .38No .3Jun .2009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

8、、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CF D/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

9、理,同时进气道的实物质量也有些问题。为此,本文利用AVL-F I ER软件建立了原型发动机进气道CF D模型,对原型发动机的进气道进行了三维稳态CF D分析和优化。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-St okes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-双方程控制模型,得到描述进气道内流动区域特性的质量、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

10、式:55t(+55x i(u i=55x i(D55x i+S(1式中: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Pr o/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 t ools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

11、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。本文计算网格由AVL F I RE软件6自动网格

12、生成器F AME HY B I RD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 :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 I RE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

13、件的压力;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;14第3期彭北京等:基于CF D的发动机进气道优化设计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 -方程(湍动能和耗散率方程;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 i 2cardo 、AVL 、FE V 世界三大发动机设计公司和美国South

14、W 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

15、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240mm 2,这对于高速的进气是十分不利的。 图2原始进气道三维稳态的流动计算的速度剖面图3.3原始进气道模型计算结果和试验结果对比原始进气道流量实验测试结果最大流量系数为0.53,原始进气道模型CF D 计算分析结果最大流量系数为0.5314,这说明计算结果与实验结果具有较好的一致性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

16、存在流动分离区。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240mm 2增大到了330mm 2,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%。图3改进后进气道计算模型按优化后的方案对原始气道实物进行了改进,对改进前后的气道进行了流量系数

17、对比测试,测试结果表明,按优化后的方案改进后的气道实测流量系数达到0.63,比原始气道流量系数增大了19%。同时与计算优化结果的流量系数0.64基本吻合,在此进一步说明,计算结果与实验结果具有较好的一致性。图4改进后进气道三维稳态流动计算的速度剖面(下转第46页速度而采用长度短的数据类型所造成的误差等,可以通过软件方法来消除。3结语本文提出了一种基于高精度V/F型转换器的发动机转速测量的方法。电路接口方便、抗干扰能力强,在控制器计数输入端加光电耦合器,实现控制器与外电路的电气隔离,进一步提高了系统的抗干扰能力和可靠性。该方法简单、实用、测量精度高,可以实现实时发动机转速计算,在实验测量中取得了

18、良好的效果,其测量结果可用于发动机状态监测、过渡过程的研究、发动机故障诊断和闭环反馈控制等。参考文献1章兼源.微机控制技术M.北京:电子工业出版社, 2003.2642702梁术 ,徐增弟.汽车用发动机技术展望与研究开发动向J.汽车工业研究,1994(5:31353童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程M.北京:北京航空航天大学出版社,2005.4034214Du Hai p ing.Acquisiti on and p r ocessing of an engine instan2taneous r otati onal s peed pulse signalJ.Pr oceedin

19、gs of the19993rd I nternati onal Sy mposiu m on Test and Measure2ment,1999Xian,China,I nt Acad Publ,1999(收稿日期:2008-08-18(上接第42页4.3改进后进气道与原始进气道流量系数对比结果(见图5参考直径:原机取23.5mm,新进气道25.6mm。图5改进后进气道与原始进气道流量系数对比结果5结论1发动机气道内部流动是复杂的三维粘性流动,其内部存在着诸如漩涡、流动分离等复杂的流动现象。本文利用AVL F I RE建立了某型号发动机进气道的复杂三维流动稳态仿真模型。2原始进气道流量实验测试结果,最大流量系数为0.53,原始进气道模型CF D计算分析结果最大流量系数为0.5314,这说明仿真计算结果与实验结果具有较好的一致性。3改进后进气道与原始进气道流量系数对比结果表明,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%。同时流动分离区也得到消除,进气道流量系数的大幅增加,使进气道的流通能力大大增强,高转速下的充量系数将得到较大的提高。4按优化后的方案对原始气道实物进行了改进,对