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

1、近二十余年,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)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(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)計(jì)算模型和性

2、能仿真軟件的設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)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€(gè)氣缸、任意進(jìn)排氣管系的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模,發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)分析。首先使用有限體積法把每根管子劃分為若干個(gè)控制容積,然后采用高精度ENO格式計(jì)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(jì)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(jì)算精度和計(jì)算效率的影響。結(jié)果表明,ENO格式階數(shù)越高計(jì)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(jì)算時(shí)間卻成倍地增長。實(shí)際應(yīng)用時(shí),推薦使用2階ENO格式,精度高又能保證計(jì)算效率。
　　為了進(jìn)一步提高一維非定常流動(dòng)的計(jì)算效率,提出了自適應(yīng)當(dāng)?shù)貢r(shí)間步長推進(jìn)算法。發(fā)動(dòng)機(jī)流體網(wǎng)絡(luò)中每根管道的計(jì)

5、算采用不同的時(shí)間步長,不再受其他管道時(shí)間步長的約束。時(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)整管道的求解順序解決了上述問題。實(shí)際計(jì)算表明:新的時(shí)間層推進(jìn)算法對計(jì)算精度沒有影響,但是可以節(jié)約25％-40%的計(jì)算時(shí)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(dòng)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(jì)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(shí)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算程序?qū)σ痪S流動(dòng)及整機(jī)性能進(jìn)行模擬。計(jì)算結(jié)果表明,并行程序計(jì)算所需的時(shí)間可以縮短到串行程序的1/3都不到,計(jì)算效率顯著提高。
　　搭建了D6114增壓柴油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)的全工況對比。在各個(gè)工況下,渦前排氣平均壓力誤差在