內(nèi)燃機(jī)一維流動計算方法研究及性能仿真軟件設(shè)計.pdf

1、近二十余年,隨著計算機(jī)技術(shù)、計算數(shù)學(xué)和計算流體力學(xué)的迅速發(fā)展,內(nèi)燃機(jī)一維循環(huán)模擬程序?qū)τ诎l(fā)動機(jī)的設(shè)計和性能改進(jìn)發(fā)揮著越來越重要的作用,大幅度地降低了新發(fā)動機(jī)的開發(fā)周期和開發(fā)成本。已有的商業(yè)軟件雖然功能強(qiáng)大,由于其源代碼的保密性,用戶自主開發(fā)的新模型、新算法很難和這些軟件的內(nèi)核協(xié)調(diào)地工作。而且這些軟件的費(fèi)用一般非常昂貴。因此,商用軟件無法支持內(nèi)燃機(jī)的前沿研究,必須開發(fā)自主的模型和軟件。本文采用新的方法,深入研究了相關(guān)的一維流動計算模型和性

2、能仿真軟件的設(shè)計思路,開發(fā)了通用的高效高精度內(nèi)燃機(jī)一維循環(huán)模擬程序。
　　采用圖論中的有向圖來定義發(fā)動機(jī)熱流體網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。有向圖中的節(jié)點(diǎn)用來描述各種發(fā)動機(jī)組件,有向邊則用來建立這些組件之間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系。采用這種定義方式,能夠?qū)в腥我鈧€氣缸、任意進(jìn)排氣管系的發(fā)動機(jī)進(jìn)行建模,發(fā)動機(jī)還可以帶有任意串并聯(lián)的渦輪增壓器。采用圖論方法對發(fā)動機(jī)流體網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析。利用圖論中的深度優(yōu)先搜索算法再結(jié)合發(fā)動機(jī)流體網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),可以精確辨別進(jìn)排氣管

3、;通過對有向圖中的組件進(jìn)行拓?fù)渑判?可以自動生成從上游到下游的求解順序。這些工作為開發(fā)通用的一維循環(huán)模擬程序奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。
　　進(jìn)排氣管道內(nèi)的流動特性對整機(jī)性能有著很大的影響。為了克服現(xiàn)有特征線法流量不守恒的問題,采用基本無振蕩有限體積法進(jìn)行排氣管系的流動分析。首先使用有限體積法把每根管子劃分為若干個控制容積,然后采用高精度ENO格式計算管道內(nèi)部控制容積交界面上的通量,管子兩端的邊界條件則通過特征線法得到。這樣做不僅保持了流量

4、守恒、而且還提高了計算精度。采用具有精確解的激波管,比較了不同階數(shù)的ENO格式對計算精度和計算效率的影響。結(jié)果表明,ENO格式階數(shù)越高計算精度越高。從1階到2階ENO格式,數(shù)值解和解析解的誤差下降的最快。隨著精度的提高,誤差下降得越來越慢,但是計算時間卻成倍地增長。實(shí)際應(yīng)用時,推薦使用2階ENO格式,精度高又能保證計算效率。
　　為了進(jìn)一步提高一維非定常流動的計算效率,提出了自適應(yīng)當(dāng)?shù)貢r間步長推進(jìn)算法。發(fā)動機(jī)流體網(wǎng)絡(luò)中每根管道的計

5、算采用不同的時間步長,不再受其他管道時間步長的約束。時間步長的不同步導(dǎo)致邊界條件處理的困難。通過自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整管道的求解順序解決了上述問題。實(shí)際計算表明:新的時間層推進(jìn)算法對計算精度沒有影響,但是可以節(jié)約25％-40%的計算時間。
　　三通接頭模型對于進(jìn)排氣質(zhì)量流量和壓力波的模擬精度有比較大的影響,進(jìn)而對整機(jī)性能模擬產(chǎn)生重要影響。通過對柴油機(jī)進(jìn)排氣管中常見三通接頭在較高空氣流速下冷態(tài)吹風(fēng)試驗(yàn)研究,獲取流動測試數(shù)據(jù),得到了三通接頭處

6、的壓力損失變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)所得的總壓損失系數(shù)和采用Vazsonyi公式計算所得的結(jié)果有一定的偏差,但是兩者隨流量比的變化趨勢相同。流速越高,這種偏差越明顯。通過改進(jìn)Vazsonyi公式,同時引入分配函數(shù),建立了考慮較高流速的修正型壓力損失模型。對排氣管渦前壓力波的計算研究表明,修正型壓力損失模型比常規(guī)壓力損失模型的計算精度提高4.3%。
　　在采用有向圖定義的流體網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,建立了循環(huán)模擬程序的總體框架,設(shè)計了有效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這

7、種框架。通過研究串行程序中邏輯上并行的區(qū)域,本文首次采用并行算法把原來的串行求解器改造成并行求解器。在多核PC機(jī)上,使用并行計算程序?qū)σ痪S流動及整機(jī)性能進(jìn)行模擬。計算結(jié)果表明,并行程序計算所需的時間可以縮短到串行程序的1/3都不到,計算效率顯著提高。
　　搭建了D6114增壓柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺架,對排氣壓力波在全工況范圍內(nèi)的變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用前面自主開發(fā)的程序,進(jìn)行了計算和實(shí)驗(yàn)的全工況對比。在各個工況下,渦前排氣平均壓力誤差在