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1、柴油机工作过程数值模拟与实验研究 题目 柴油机工作过程数值模拟与试验探讨 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。然后再依据风扇所产生的冷空气流量，环境温度及中冷器出口温度，计算出中冷器须要散失的热量，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。运用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
2、,最终确定中冷器的优化方向和优化措施 关键词：试验；柴油机；冷器数值模拟；设计 ABSTRACT In the cold trap types, structure, high efficiency heat exchanger are introduced, the structure principle of plate-fin heat exchanger.Of dongfeng toward the wood CY4100ZLQ turbo engine temperature after estimate the pressurization, air mass flow rate
3、and pressure ratio, calculated the pressurized air in the heart of the inlet flow and inlet temperature.Then, according to the fan air flow generated by the environment temperature and inter-cooled outlet temperature and calculate the cold need dissipating heat, to determine the cold machine, heat t
4、ransfer coefficient of booster to the pressure loss at the same time, temperature, heat dissipation area for checking.Using Proe software to map the cold machine parts of the design, using the commercial CFD software Fluent in front processor Gambit to define the inter-cooled meshing, boundary condi
5、tions, and then import the Fluent software to set boundary conditions, simulation calculation and result analysis, finally determine the inter-cooled optimization direction and optimization measures. Key words: experiment;Diesel engine;Cooler numerical simulation;design 书目 诚信声明. 摘要 Abstract. 第一章 前言1
6、 1.1 探讨背景.1 1.2探讨目的及意义.1 1.3探讨现状.2 1.3.1工作过程模拟的探讨.2 1.3.2内燃机高原工作性能的探讨现状.4 其次章 柴油机中冷器的CFD模拟优化 6 2.1 CFD技术在管翅式换热器设计开发方面的优越性6 2.2 管翅式中冷器的CFD设计6 2.2.1中冷器的建模.6 2.2.2网格划分.8 2.3数值建模型的建立.9 1.网格划分9 2.差分方程的建立.11 3.差分方程求解.15 2.4结果分析17 结论.18 参考文献19 致谢.20 第一章 前言 1.1探讨背景 柴油机具有功率覆盖广泛,效率高、能耗低,各种民用船舶和占主导地位的中小型船舶动力装置
7、。国外2000年统计，大于2000大海船，柴油机动力占90%以上:登陆舰艇中，柴油机占56.8%；协助舰艇中，柴油机占62.9。近年来，随着电子、信息技术的快速发展，使柴油机这个传统产业再次焕发新的活力。 目前，我国已经具备了肯定规模的低、中、高速柴油机的生产制造实力.但总的来说,中国的船用发动机和发电机主要依靠引进外国知名品牌的生产许可证生产、探讨和开发实力较弱,缺乏自主创新实力,引进技术消化和创新实力不足,大型集装箱船大直径,大功率柴油主机制造技术突破,一些柴油机的关键零部件还是主要依靠进口,一些具有自主学问产权的产品缺乏市场竞争力。但总的来说,中国的船用发动机和发电机主要依靠引进外国知名
8、品牌的生产许可证生产、探讨和开发实力较弱,缺乏自主创新,引进技术消化和创新实力不足,大型集装箱船大直径、高功率柴油主机制造技术突破,一些关键部件仍主柴油机依据进口软,一些具有自主学问产权的产品缺乏市场竞争力.柴油机的技术基础包括材料性能、机械加工和热处理、9烧理论、结构力学和动力学、传动技术、限制方法、仿真计算和大是的试验室工作等。而国内企业往往没有精力和实力去深化探讨这些基础技术。另外,我们的探讨和发展模式仍运用传统的“主要由测试、测试设计模式来解决问题,因此,周期长,成本高还是有很大的问题，但是国际现代柴油机运用预料“设计”。建立了经长期积累并经过验证可指导设计研发工作的数据库和学问库，这
9、样使研发周期短、成本低。如德国MTU公司如何开发周期长达9年,595系列和2000年MTU8000如何运用模型预料“设计”的探讨和开发,缩短开发周期为3年半。大大提高了效率。1.2探讨目的及意义 柴油机作为一种动力装置,由于其热效率高、适应性好,适应范围广,已广泛应用于农业、工业、交通运输和国防建设等领域,为国民经济的发展起着重要的作用。为了满意各行各业的要求内燃机性能的改善,并符合越来越严格的各种 排放法规。因此，对柴油机动力性、牢靠性、寿命、比质量、有害气体排放和燃油经济性提出了更高的要求。为了改善各种性能，在设计中对柴油机的各个工作过程的进行模拟和性能优化就显得尤为重要。随着人类科技的不
10、断进步、生活水平的不断提高和对自身所处的环境有了越来越多的关注，汽车尾气排放和噪音等环境污染引起了人们的关注。近年来,在世界范围内,提出了越来越严格的环保要求,先后制定了一系列越来越严格的排放法规,规定NO,和粒子排放目标。我国的排放法规相对起步较晚，在2000年实行Eur。一I标准。近年来，我国柴油机排放技术发展很快，特殊是采纳引进技术生产的柴油机产品中，采纳了增压中冷、EGR、高压喷射等机内净化措施以及催化转化器等机外净化手段，排放得到了有效的限制。现行的是ELlro一11排放标准，将在2010年实施Euro一m标准，排放标准将进一步提高。柴油机的工作过程涉及到气体流淌、涡轮增压、喷油、燃
11、烧、传热与传质以及化学反应动力学等多种物理过程，采纳试验测试的方法费用高、周期长，有很大困难。自20世纪60年以来随着快速、大容量电子计算机的发展和数据处理系统在柴油机探讨中的应用，柴油机工作过程模拟技术得到了长足的发展，使柴油机的工作过程模拟成为可能。通过对柴油机工作过程的数值模拟，设计人员能够在柴油机设计过程中综合考虑气流运动、燃烧室形态、喷雾和燃烧等诸多因素的最优匹配，可以预料、分析和优化发动机的性能、降低有害排放物，还可以解决柴油机设计方案论证及优化、性能预料诊断和样机的探讨改进等技术问题。对柴油机工作过程进行计算机数值模拟，用以指导柴油机的设计，不仅降低了探讨费用，节约了人力和物力，
12、缩短了开发周期，而且能加速数据处理，使柴油机类型、结构参数和性能参数达到优化，必将把柴油机的设计方法和理论探讨带入一个新阶段。1.3 探讨现状 自七零年头以来,由于大容量和高速度的计算机和数据处理系统在柴油机工作过程模拟中的应用,和试验技术和改进的测量仪器和测试设备,使柴油机的试验和理论探讨有更大的发展,仿真,优化设计已经取得了很大的进步。目前对柴油机的工作过程的探讨方法主要有试验方法和数值模拟计算方法。1.3.1 工作过程模拟的探讨 试验方法是运用相关测试技术在模型或试验探讨中,理论探讨的前提和基础,内燃机的探讨起肯定的推动作用,但柴油机性能参数测定试验方法是特别繁杂的工作,探讨和开发费用高
13、,试验周期较长。在改进试验技术和测量设备的同时， 随着高速和大容量计算机的出现和快速发展,建立工作机制和柴油机和适合模型的计算结果,可以更好地预料柴油机的性能,并且可以在短时间内进行广泛探讨的变量参数,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,节约大量人力物力。对于柴油机工作过程数值模拟计算来说，经验了由单纯放热计一算起先，从零维到准维、从准维到多维模型的探讨和发展过程。含有若干个修正系数的阅历或半阅历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、志向气体状态方程和初始条件来模拟发动机燃烧过程，nitially人从一起先简洁的纯热量计算,依据测量气
14、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)匀称分布的空间,工作介质在瞬间达到热平衡,符合志向气体状态方程,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阅历公式,它可以预料发动机的性能,但在对排放量的预料,尤其是氮氧化物的形成和零维模型是不够的。预料氮氧化物生成必需知道当地的温度、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
15、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改变。柴油机燃烧主要由燃料和空气混合,限制喷雾的燃料和空气混合物确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,具有简洁的优点,计算时间短,但对很多因素的过程中通过阅历或半阅历公式计算处理、性能预料相当随意。此外,污染物的形成和与当地有许多因素,如压力、温度、同质性假设,不利于理解缸的详细过程和工作过程的优化。1980年头后,随着计算机的发展,性能和计算流体动力学的发展,更困难的多维
16、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,它几乎包括全部已知的因素,因此是更困难的。由于湍流的本质在柴油机燃烧过程中,细微环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。为了驾驭柴油机的整体性能,柴油机数值模拟是特别必要的。本文采纳一维模型模拟计算。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)或曲柄角随时间改变,还从一维坐标x。1.3.2 柴油机高原工作性能的探讨现状 柴油机的高原特性试验不仅可
17、以在不同高度场条件下的试验,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探讨对象,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状况。但现场试验须要花费大量的人力、物力和时间,并且经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。但模拟高原环境还须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特别昂贵的,但由于地理、青藏高原目前国内外很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
18、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,底层限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限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。全部协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、限制、调整装置位于顶层。表1-1 BwM海拔高度及
19、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,限制精度和自动化精度高,但试验室是昂贵的,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,高原特征模拟试验是弥补的一部分田间试验的缺点,它仍旧须要一个更大的问题。和模拟计算方法探讨柴油机的高原性能更便利快捷,低成本的优势,快速效应和大气条件下可以模拟随意高度。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探讨工作,为柴油机可以在高原的恶劣环境下正常工作 其次章 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
20、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,经常须要进行大量的匹配试验整个机器,导致开发周期和成本的增加,不能满意增压中冷应用程序的需求。现在国际流行的设计,探讨方法主要是利用计算机模拟,设计首先,然后试验验证。这可以极大地缩短产品开发设计周期,降低开发成本。本文设计探讨台涡轮增压中冷柴油机的运用一般商业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。2.1 CFD 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
21、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别、石油化工、自然气液化、合成氨工业、船舶、车辆等,其突出优点是结构紧凑,简单流支配,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洁的理论,长期积累的阅历和试验分析确定换热器的结构,但它须要大量的试验基金和长周期,和由此产生的结构形式并不能保证最好的解决方案,因此须要探究更有效和便利的设计探讨方法。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试验验证。为保证中冷器性能稳定， 就不得不进行
22、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,通常须要进行方案选择和优化。2.2 管翅式中冷器的 CFD设计 运用流利的软件模拟计算和中冷,包括了解流体流淌和传热。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。它的功能特别强大,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,最终将生成的网络文件到流利的
23、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。这有助于计算量的削减和计算精度的保证。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5-1 Gambit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
24、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。 冷的设计计算运用三维六面体网格单元模型。热压缩空气干脆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困难性，而且运动方程中又含有非线性项，一般只能采纳数值求解方法。在特定的边界条件下，用数值求解方程组(2.13)一(2.15)的方法许多。本计算采纳国内外技术比较成熟、应用
25、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,简洁、敏捷便利、便利程序,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,是一种最常用和最胜利的方法。有限差分法有许多种,包括显式法和隐式法和隐式和显式方法,计算运用哪种详细的将干脆影响到模型的精度。显式法和隐式法各有其优缺点，显式法是干脆求解节点未知量，不须要联立求解离散得到的代数方程组；而隐式有限差分格式须要求解代数方程组.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,运用相对较小的时间步的显式的恳求,在初始值和高要求,假如初始误差特别大,将导
26、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。所以本次探讨采纳ADI法对微分方程进行离散。1.网格划分 为了便于运用航天中心差分公式,利用交织网格图(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，采纳如下运算符: x=y=s为空间步长，
27、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 由于本计算采纳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nt-(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she v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均采纳了隐式差分格式，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。可用追逐法求解。依据上述要求，将方程组(2.13)
28、到(2.15)离散成差分方程组。在nt-（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
29、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2.24 3.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，这种状况可作矩阵的Doolittle分解.计算公式如下: Di=ci，i=1，2，.，n-1 U1=b1 1i=a1/ui-1，i=2，3，.，n Ui=bi-lici-1，i=2，3，.，n 计算次序是Ul->12->U2->
30、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，.，n Xn=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逐法。用追逐法可以很简单地工作方程(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,还用追逐法求解代数方程的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
31、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,进气压力渐渐增加从上到下,但不是压力改变,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淌的过程中较低的压力。(2)由于进气道由上到下渐渐缩小，使中冷器下端压力偏高，使该处的应力偏高，设计时应当重视。 (3)该模型中，拐角处为直角，在实际应用中应避开直角拐角存在，进出气道的拐角处应设计成圆角，使气流平缓过渡，避开拐角处应力过大。 2、 通过对速度云图： (1)冷阱,热空气流量的一边在当地旁边的高耐热。这是由于进
32、口侧的热空气通过热核心,遇到热心墙旁边的流速不匀称产生的块。在冷阱的设计是不行避开的,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匀称,这种设计有利于匀称传热的热空气。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，然后依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，对给定增压柴油机的原始数据换算出增压柴油机已知及要求指标；同时计算出柴油机的热力参数。其次对中冷器芯体进行了具体计算，并应用对数平均温差法校核散热面积、用效能-传热单元数法校核增压空气出口温度、并对增压空气和冷却介质
33、的流淌阻力损失进行校核。依据中冷器工作状况，对零部件-封头、隔板等做了相应的设计计算，并用Proe 绘制出各部分的三维图，并装备成中冷器整体三维图，然后又将其iges文件导入Fluent的前置处理器Gambit对该模型进行网格划分，定义边界条件，随后将msh文件导入Fluent进行边界条件设定、模拟计算。本文只考虑冷阱电荷空气进出口边界条件、冷却空气对流系数作为一个固定的冷却,仿真结果有肯定的误差；然后对模拟结果进行了分析。最终结合本设计中的模拟结果以及现阶段中冷器的新发展状况，提出了几项优化措施。 参考文献 1申伟;二甲醚发动机发呈现状与展望J;节能与环保;2007年09期 2陆艺红,张煜盛
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