柴油机工作过程数值模拟与实验研究分析 车辆工程专业

ⅡⅡ柴油机工作过程数值模拟与实验研究分析车辆工程专业摘要在阐述中冷器类型、结构中，介绍了高效换热器、板翅式换热器的结构原理。对东风朝柴CY4100ZLQ增压发动机估算出增压后温度、空气质量流量及增压比，计算出了增压空气在中冷器处的进口流量及进口温度。然后再根据风扇所产生的冷空气流量，环境温度及中冷器出口温度，计算出中冷器需要散失的热量，再去确定中冷器的传热系数，同时对压力损失、增压温度、散热面积进行校核。使用PROE软件绘制中冷器的机器零件的设计,利用商业CFD软件Fluent在前处理器策略定义中冷器的边界条件,然后导入Fluent的软件设置边界条件,模拟计算和结果分析,最终确定中冷器的优化方向和优化措施关键词：实验；柴油机；冷器数值模拟；设计ⅢABSTRACTInthecoldtraptypes,structure,highefficiencyheatexchangerareintroduced,thestructureprincipleofplate-finheatexchanger.OfdongfengtowardthewoodCY4100ZLQturboenginetemperatureafterestimatethepressurization,airmassflowrateandpressureratio,calculatedthepressurizedairintheheartoftheinletflowandinlettemperature.Then,accordingtothefanairflowgeneratedbytheenvironmenttemperatureandinter-cooledoutlettemperatureandcalculatethecoldneeddissipatingheat,todeterminethecoldmachine,heattransfercoefficientofboostertothepressurelossatthesametime,temperature,heatdissipationareaforchecking.UsingProesoftwaretomapthecoldmachinepartsofthedesign,usingthecommercialCFDsoftwareFluentinfrontprocessorGambittodefinetheinter-cooledmeshing,boundaryconditions,andthenimporttheFluentsoftwaretosetboundaryconditions,simulationcalculationandresultanalysis,finallydeterminetheinter-cooledoptimizationdirectionandoptimizationmeasures.Keywords:experiment;Dieselengine;Coolernumericalsimulation;designⅣ

目录诚信声明Ⅰ摘要…………………ⅡAbstract……………….Ⅲ第一章前言………………………1研究背景……………………..11.2研究目的及意义……………...11.3研究现状……………………...21.3.1工作过程模拟的研究………………….21.3.2内燃机高原工作性能的研究现状…….4第二章柴油机中冷器的CFD模拟优化…………………62.1CFD技术在管翅式换热器设计开发方面的优越性………62.2管翅式中冷器的CFD设计…………………62.2.1中冷器的建模……….62.2.2网格划分…………….82.3数值建模型的建立………….91.网格划分…………………92.差分方程的建立………...113.差分方程求解…………...152.4结果分析……………………17结论………………….18参考文献……………19致谢………………….201随着高速和大容量计算机的出现和迅速发展,建立工作机制和柴油机和适合模型的计算结果,可以更好地预测柴油机的性能,并且可以在短时间内进行广泛研究的变量参数,开发新的引擎和改善旧发动机的性能,还可以降低成本,缩短测试时间,节省大量人力物力。对于柴油机工作过程数值模拟计算来说，经历了由单纯放热计一算开始，从零维到准维、从准维到多维模型的研究和发展过程。含有若干个修正系数的经验或半经验的常微分方程或代数方程，描述发动机缸内燃烧过程，并辅以热力学基本方程、理想气体状态方程和初始条件来模拟发动机燃烧过程，nitially人从一开始简单的纯热量计算,根据测量气缸压力示功图估计实际的柴油机放热规律。随后出现了零维模型ni；它假设燃烧室内各物理量(压力.温度、等效空气燃料比)均匀分布的空间,工作介质在瞬间达到热平衡,符合理想气体状态方程,这一假设的条件下,计算出内燃机缸,温度、气体压力在燃烧热释放率等性能参数。零维模型是通过热力学和热释放率经验公式,它可以预测发动机的性能,但在对排放量的预测,尤其是氮氧化物的形成和零维模型是不够的。预测氮氧化物生成必须知道当地的温度、压力、燃烧室和空气燃料比。因此,人们的模拟燃烧室喷或火焰分为几个区域,用来计算当地的温度、压力和浓度在地区内。从研发到燃烧室作为一个整体将模拟燃烧室的不同区域,燃烧模型的进一步发展。燃烧室被划分为多个区域，称为准维多区燃烧模型。由于地区之间不同的参数,在某种程度上,它反映了缸内参数随空间的变化。柴油机燃烧主要由燃料和空气混合,控制喷雾的燃料和空气混合物决定发动机燃烧室温度和化工产品。准维燃烧模型,在此基础上,分为喷雾燃烧过程,夹杂空气,燃烧,等,和相应的模型来描述发动机的燃烧过程。常微分方程的零维和准维模型,具有简单的优点,计算时间短,但对许多因素的过程中通过经验或半经验公式计算处理、性能预测相当随意。此外,污染物的形成和与当地有很多因素,如压力、温度、同质性假设,不利于理解缸的具体过程和工作过程的优化。1980年代后,随着计算机的发展,性能和计算流体动力学的发展,更复杂的多维模型,其中包括柴油发动机汽缸的描述传热、传质、动量传递和化学动力学的偏微分方程。多维模型试图完全描述内燃机工作过程的理论,为了更接近理论计算和实际的工作过程中,它几乎包括所有已知的因素,因此是更复杂的。由于湍流的本质在柴油机燃烧过程中,细节理解排放的形成机制尚不完善,尤其是计算机的计算速度不能跟进,维度模型并不在柴油机工作过程进行模拟计算。为了掌握柴油机的整体性能,柴油机数值模拟是非常必要的。本文采用一维模型模拟计算。一维模型是整个系统被视为一维管路系统的柴油引擎,除了在系统参数r(阴)或曲柄角随时间变化,还从一维坐标x。1.3.2柴油机高原工作性能的研究现状柴油机的高原特性试验不仅可以在不同高度场条件下的实验,也可以通过固定高度模拟舱不同大气条件下封闭测试。现场试验,一般是一个内燃发动机为研究对象,从平原到高原,沿着不同的高度的性能测试,得到权力的柴油机在不同大气条件下,燃料消耗、性能指标等,由此产生的性能指标符合实际情况。但现场试验需要花费大量的人力、物力和时间,并且常常局限于地理和自然条件,很难建立符合要求的测试的物理参数和试验条件,大偏差的可能性比较大。模拟舱,它可以部分地克服这个困难。但模拟高原环境还需要花大量的资金和人力和物质资源。虽然大气模拟试验台是非常昂贵的,但由于地理、青藏高原目前国内外许多科研单位有不同规格的印章作为柴油机舱室大气模拟试验台。，现在以国外BWM动力系统设计部研制的不同海拔高度气候、全天候全封闭的大气模拟试验台，为例来说明大气模拟试验台。BWM不同海拔高度气候模拟试验台。BWM动力系统设计部研制的两台不同海拔高度气候试验台可在较宽的范围内就环境参数一一气压、空气湿度及环境温度进行试验。表1一1为试验台所能模拟的环境条件。安装两个试验机2层建筑,底层控制和共享之间两个试验,其布局如图1所示。由两个试验机位于监控中心的控制室通过持续的监控摄像头,机器测试通过传输通道进入前厅的密封试验台后发送。所有辅助设备和气候模拟设备,包括试验台工作电源设备、环境模拟设备(压力、温度、湿度)、开关、控制、调整装置位于顶层。表1-1BwM海拔高度及气候模拟试验台工作特性参数可以全面、完整的试验台模拟条件在不同的高度,控制精度和自动化精度高,但实验室是昂贵的,每个测试的成本也大,不适合我国的国情。因此,田间试验精度高但花费大,难操作,高原特征模拟实验是弥补的一部分田间试验的缺点,它仍然需要一个更大的问题。和模拟计算方法研究柴油机的高原性能更方便快捷,低成本的优势,快速效应和大气条件下可以模拟任意高度。本文的工作是建立机车柴油机机,一个一维模型的多缸柴油机性能分析和研究工作,为柴油机可以在高原的恶劣环境下正常工作第二章柴油机中冷器的CFD模拟优化增压中冷系统对柴油机的动力性、经济性和环保具有重要的贡献。因此在车用柴油机上得到了普遍应用。因为我们国家在汽车柴油机增压中冷技术的发展起步较晚,对于设备的设计还没有形成一套完整的理论,冷的性能评价方法还没有形成一个统一的标准。因此,在寒冷的在产品开发过程中,常常需要进行大量的匹配实验整个机器,导致开发周期和成本的增加,不能满足增压中冷应用程序的需求。现在国际流行的设计,研究方法主要是利用计算机模拟,设计首先,然后实验验证。这可以极大地缩短产品开发设计周期,降低开发成本。本文设计研究台涡轮增压中冷柴油机的使用一般商业CFD(计算流体力学、计算流体动力学CFD)软件流畅,虚拟设计和开发。2.1CFD技术在管翅式换热器设计开发方面的优越性车用中冷器由于各种条件的约束，主要有管翅式和板翅式两种类型。相对而言，管翅式中冷器目前应用越来越广泛。翅片管换热器是一种高效紧凑式换热器,与加工技术的发展,扩大了其应用的范围,是广泛应用于空气分离、石油化工、天然气液化、合成氨工业、船舶、车辆等,其突出优点是结构紧凑,容易流安排,小温差、大热的温度下降。和传统的管式换热器设计通常只依靠简单的理论,长期积累的经验和实验分析确定换热器的结构,但它需要大量的实验基金和长周期,和由此产生的结构形式并不能保证最好的解决方案,因此需要探索更有效和方便的设计研究方法。我们可以看到传统设计流程图的设计过程在传统管式热交换器,冷的影响设计的可行与否往往取决于实验验证。为保证中冷器性能稳定，就不得不进行大量试验。和筛选和优化产品的设计、制造和测试部门进行系统性循环,由于涉及的链接,产品开发周期长,成本高,对于工程设计,通常需要进行方案选择和优化。2.2管翅式中冷器的CFD设计使用流利的软件模拟计算和中冷,包括了解流体流动和传热。涉及计算的一般步骤是：几何建模、划分网格、边界设定、物理模型选择、计算和后处理。2.2.1中冷器的建模利用Proe软件该中冷器进行建模工作。然后将建成的模型导入Gambit中，Gambit是CFD商用软件Fluent的前处理软件，主要作用是建立网格模型。它的功能非常强大,可以建立各种各样的几何图形,然后将网络几何和设置边界条件,最后将生成的网络文件到流利的软件来计算。我们对换热器中冷器的结构不构成重大影响的前提下适当的简化所选的坦克。建立合理的数学模型，中冷器建模后分为三部分，进气道、出气道、芯体；其中芯体部分做如下简化：只做出增压空气通道，而冷却介质通道挖空，冷气热气之间做对流换热；将进气道、芯体、出气道连为整体。这有助于计算量的减少和计算精度的保证。导入Gambit中的模型如图5-1。中冷器模型（三视图）中冷器模型（主视图）图5-1Gambit建模图2.2.2网格划分完成后的CFD软件的建模工作是建立在有限元分析的基础。因此对所建立的模型进行网格划分。在Gambit中，对划分网格的规定是：对于二维模型可划分三角形、四边形单元，而四边形单元的计算精度高；对于三维模型可划分为四面体、五面体和六面体单元，相对而言六面体单元的计算精度高。冷的设计计算使用三维六面体网格单元模型。热压缩空气直接把空气冷却器进出口边界。网格划分的设置如图5-2所示。网格单元取size=5，网格划分后，总共有1780881个六面体单元，对模型进行处理，改进后的模型如图5-3所示：图3-2网格划分设置图3-3网格划分图2.3数值模型的建立由于海区实际边界的复杂性，而且运动方程中又含有非线性项，一般只能采用数值求解方法。在特定的边界条件下，用数值求解方程组(2.13)一((2.15)的方法很多。本计算采用国内外技术比较成熟、应用广泛的ADI法(隐显方向交林法)来进行求解。ADI法是一种有限差分法。有限差分法适用于各种类型的微分方程,数学概念是明确的,简单、灵活方便、方便程序,精密差分格式在高和低的选择,收敛性和稳定性理论,往往是成熟,是一种最常用和最成功的方法。有限差分法有很多种,包括显式法和隐式法和隐式和显式方法,计算使用哪种具体的将直接影响到模型的精度。显式法和隐式法各有其优缺点，显式法是直接求解节点未知量，不需要联立求解离散得到的代数方程组；而隐式有限差分格式需要求解代数方程组.从这点看，显格式要比隐格式优越。从数值计算的稳定性的角度,使用相对较小的时间步的显式的请求,在初始值和高要求,如果初始误差非常大,将导致不同的计算过程。ADI方法是一种隐式和显式方法,它既有显式和隐式方法各自的一些优势,实际应用中受欢迎。所以本次研究采用ADI法对微分方程进行离散。1.网格划分为了便于使用航天中心差分公式,利用交错网格图(2.2)。图3.2中网格交点编号记为i(x方向)，j(y方向)并规定i，j为整数点时记为水位点和糙度系数C，用号“+”表示。我为整数点x方向上速度u,用符号“-”表示。i为整数，j为±点时记为y方向上流速v，用符号“|”表示。当i和j均为±点时记为水深点，用符号"o"表示。图3.2计算网格将微分方程(2.13)一(2.15)离散成差分方程时，采用如下运算符:△x=△y=△s为空间步长，△t为时间步长，i，j，n=0均以±，±1，为单位。在i，j点上n时间层时函数F可表示为:2.差分方程的建立由于本计算采用ADI法进行求解，首先将△t分为两个半步长。按三层格式运算。在n△t-(n+)△t半步长上，沿X方向对s和u进行隐式计算，对v进行显式计算。在后半时间步长(n+)△t一（n+1)△t上，沿Y方向对shev进行隐式计算。对u进行显式计算。上述求解方法的特点是，无论沿X向求解杏和u，或沿y向求解杏和V均采用了隐式差分格式，稳定性是良好的。其次在每一时间层上，对某一确定的行求解s和u或对某一列求解s和V时均可化为三对角型线性代数方程组。可用追赶法求解。根据上述要求，将方程组(2.13)到((2.15)离散成差分方程组。在n△t-（n+)△t半步长上，运动方程(2.13)的差分方程为:将上式中的改写成则在i+，j点上得方程2.16同理在i，J十点上得运动方程(2.14)的差分方程为:方程2.17在i，」点上得连续性方程(2.15)的差分方程为:方程2.18将差分方程(2.16-2.18)进一步离散，由(2.18)得:将上式整理得：方程2.19其中由方程(2.16)得X向U的隐式差分方程为:将上式整理得方程2.20其中由万程(2.17)得X向V的显式差分方程为:方程2.21同理得后半时间步长(n+)△t-(n+1)△t沿Y方向V的隐式差分方程为:方程2.22其中y方向连续性方程的差分方程为:方程2.23其中y方向U的显式差分方程为:方程2.243.差分方程求解为了求解逐行(列)各点在某一时间层上的s和U的值，将方程(19)和(20)联立构成如下三对角型代数方程组。2.25式(2.25)中uJ以简写成Ax=f即可以进行LU分解A=LU，其中其中L和u非零元极少且分布很有规律，这种情况可作矩阵的Doolittle分解.计算公式如下:Di=ci，i=1，2，...，n-1U1=b11i=a1/ui-1，i=2，3，...，nUi=bi-lici-1，i=2，3，...，n计算次序是Ul->12->U2->13->U3->...->lu-->un，原方程组Ax=f是通过下述两个具有两条对角线元素的三对角方程组实现的，计算公式如下Y1=f1，yi=fi-1iyi-1，i=2，3，...，nXn=yn/un，xi=(yi-cixi+1)/ui，i=n-1，n-2，...，1我们称该计算公式为求解三对角方程组的追赶法。用追赶法可以很容易地工作方程(2.25),然后指出工作的价值V是一个半步长完成一半时间步长计算排名后,还用追赶法求解代数方程的L和V。然后再逐点地算出U的值。如此重复上述计算过程，直至计算结果达到稳定为止。3.4结果分析从上面中冷实现内部静态压力、速度和温度的分布云图,我们可以看到:1,通过静压轮廓:知道的压力分布是分层装置,进气压力逐渐增加从上到下,但不是压力变化,提出对边。这说明高压的热空气进入中冷器后，每层在通过换热芯子时，热空气的压力有所降低。这是由于热交换器芯整体流通截面积应大于流进气和排气侧横截面积和路径的压缩空气在流动的过程中较低的压力。(2)由于进气道由上到下逐渐缩小，使中冷器下端压力偏高，使该处的应力偏高，设计时应该重视。(3)该模型中，拐角处为直角，在实际应用中应避免直角拐角存在，进出气道的拐角处应设计成圆角，使气流平缓过渡，避免拐角处应力过大。2、通过对速度云图：(1)冷阱,热空气流量的一边在当地附近的高耐热。这是由于进口侧的热空气通过热核心,遇到热心墙附近的流速不均匀产生的块。在冷阱的设计是不可避免的,我们要做的是设法降低流速偏高。(2)热空气的热交换器芯整体速度分布比较均匀,这种设计有利于均匀传热的热空气。但我们可以看到,热空气的传热速度分布在核心自下而上略有不同。结论作者将分析的发动机型号定为东风朝柴CY4100ZLQ，然后根据发动机参数及高效换热的目的，选择管翅式中冷器作为中冷设备，对给定增压