內燃機一維流動計算方法研究及性能仿真軟件設計.pdf

1、近二十余年,隨著計算機技術、計算數(shù)學和計算流體力學的迅速發(fā)展,內燃機一維循環(huán)模擬程序對于發(fā)動機的設計和性能改進發(fā)揮著越來越重要的作用,大幅度地降低了新發(fā)動機的開發(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核協(xié)調地工作。而且這些軟件的費用一般非常昂貴。因此,商用軟件無法支持內燃機的前沿研究,必須開發(fā)自主的模型和軟件。本文采用新的方法,深入研究了相關的一維流動計算模型和性

2、能仿真軟件的設計思路,開發(fā)了通用的高效高精度內燃機一維循環(huán)模擬程序。
　　采用圖論中的有向圖來定義發(fā)動機熱流體網絡的拓撲結構。有向圖中的節(jié)點用來描述各種發(fā)動機組件,有向邊則用來建立這些組件之間的網絡拓撲關系。采用這種定義方式,能夠對帶有任意個氣缸、任意進排氣管系的發(fā)動機進行建模,發(fā)動機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)動機流體網絡進行分析。利用圖論中的深度優(yōu)先搜索算法再結合發(fā)動機流體網絡的特點,可以精確辨別進排氣管

3、;通過對有向圖中的組件進行拓撲排序,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的基礎。
　　進排氣管道內的流動特性對整機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。實際應用時,推薦使用2階ENO格式,精度高又能保證計算效率。
　　為了進一步提高一維非定常流動的計算效率,提出了自適應當?shù)貢r間步長推進算法。發(fā)動機流體網絡中每根管道的計

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致邊界條件處理的困難。通過自適應動態(tài)調整管道的求解順序解決了上述問題。實際計算表明:新的時間層推進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排氣質量流量和壓力波的模擬精度有比較大的影響,進而對整機性能模擬產生重要影響。通過對柴油機進排氣管中常見三通接頭在較高空氣流速下冷態(tài)吹風試驗研究,獲取流動測試數(shù)據,得到了三通接頭處

6、的壓力損失變化規(guī)律。實驗所得的總壓損失系數(shù)和采用Vazsonyi公式計算所得的結果有一定的偏差,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絡基礎上,建立了循環(huán)模擬程序的總體框架,設計了有效的數(shù)據結構來實現(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機上,使用并行計算程序對一維流動及整機性能進行模擬。計算結果表明,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增壓柴油機實驗臺架,對排氣壓力波在全工況范圍內的變化規(guī)律進行了實驗研究。采用前面自主開發(fā)的程序,進行了計算和實驗的全工況對比。在各個工況下,渦前排氣平均壓力誤差在