基于三维流动模拟和一维动力性能模拟的发动机气道参数化设计的研究

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1、上海交通大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1引言在全球气候变暖的背景下，以低能耗、低污染为基础的“低碳经济”成为全球热点。欧美发达国家大力推进以高能效、低排放为核心的“低碳革命”，着力发展“低碳技术”，并对产业、能源、技术、贸易等政策进行重大调整，以抢占先机和产业制高点。低碳经济的争夺战，已在全球悄然打响。这对中国，是压力，也是挑战。在“低碳经济”的大背景下汽车行业必须转变发展模式，向大排量、低排放、高性能、高技术含量产品的研发能力转变。只有这样，中国才能真正实现从“汽车生产大国”向“汽车制造强国”的转变。发动机质

2、量的优劣，是由一系列工作性能指标来综合评定的。这些指标主要有以下四类：（1）发动机在整个运转范围内的动力性能指标，主要指各个工况的功率、转矩和运行速度（活塞平均速度或转速）。实用上，常用典型工况（如标定工况、最大转矩工况）的指标或实际使用运行工况的指标的加权平均数值来表示。（2）发动机在整个运转范围内的燃料消耗率（有时考虑润滑油消耗率）的经济性能指标。（3）除动力、经济性外的其它运转性能，如有害排放量、噪声和冷起动等性能指标。（4）可靠性、耐久性、维修方便性等使用指标。要实现低排放、高性能归根结底是要改善发动机的燃料利用

3、率。这要从发动机的喷油系统、进气系统和燃烧室的合理设计上出发，提高进气系统的进气效率和燃烧室内燃油和空气的混合程度。进气道的结构直接影响进气系统的进气效率和内燃机气缸内涡流的强烈程度，从而直接关系到气缸内汽油的燃烧完善度和排放废气的第1页上海交通大学硕士学位论文第一章绪论[1]成分等等。本文通过模拟发动机在不同工况下的动力性能和不同气门升程下的进气道和气缸内气体的流通特性建立一个数值试验平台，并经过发动机台架试验验证数值试验平台的准确性。在数值试验平台上以进气道的流量系数和气缸内的涡流比这两个参数对发动机的动力性能的影响

4、来验证气道改进的效果。本文提出的在数值试验平台上改进发动机气道的方法相比较传统方法主要有以下三个优点：（1）随着计算机软、硬件的发展，数值模拟耗时不断减少且精度不断增加。（2）通过三维造型软件可以根据设计者的想法较快的更改进气道的形状，避免通过反向工程造出发动机的实物。（3）数值试验平台取代了费用很高的发动机台架试验，节省了成本。对气道-气门-气缸内气体流场进行数值模拟，了解气体流通的详细情况，探求气道的几何结构对气体流通特性的影响规律，进而通过发动机的动力性能模拟进行性能预测，从理论上提出改进方向。1.2课题研究的现状

5、及发展趋势[2]关于汽车空气动力学比较系统的研究始于1911年。此后的几十年主要围绕汽车外流场进行研究。由于发动机进气道、排气道、气缸结构非常复杂，计算网格的生成极其困难，对实际内燃机的气道、气缸生成三维流体计算网格需要一个月左右的时间。因此，发动机气道内气体流动的三维模拟起步较晚，大约开始于20世纪60年代。气体由进气道经气门流入气缸，然后经气门流入排气道，最后经排气管排放到大气中的过程是一个复杂的三维流动过程。国内外对发动机气体流动数值模拟的理论研究主要包括控制方程的选择和变换、计算区域离散和代数方程求解等几个方面。

6、随着计算机技术的发展，计算流体力学（CFD）在发动机领域的应用越来越广，发动机内的流动计算引入了CFD技术。常用的CFD软件有日本CRADLE公司开发的SC/Tetra，美国LosAlamos国家实验室的研究者开发出来的KIVA系列程序，以及CHAM的PHOENICS、FLUENT、STAR-CD、FIRE以及RPM等。第2页上海交通大学硕士学位论文第一章绪论1.2.1国外研究现状1978年英国帝国理工学院的A.D.Gosman的领导小组在美国通用汽车公司研究中心的内燃机国际会议上发表的一篇论文标志着发动机缸内流动多维数

7、值模拟[3]的理论和方法开始走向成熟。同时，斯坦福大学的W.C.Renold发表了一篇关于缸内湍流模型的论文，文中建议继续开展发动机内气体流动湍流数值模拟方法及所需要实验验证的研究工作。1984年A.D.Gosman等人对发动机中的空气流动进行了三维模拟计算，采用了k-ε模型计算了一个轴对称模型气门，并将计算结果与实验结果进行对比。研究结果表明，用标准的k-ε模型得出的结果在小气门升程下与实[4]验结果吻合良好，而在大升程下，其平均速度和紊动能超过了实验值。1987年A.D.Gosman和Ahmed采用有限体积法以及边界

8、层网格和k-ε湍流模型对轴对称的进气道-阀门的发动机内的流动进行了测量和多维数值模拟，结果表明简化的和实[5]际的进气道的流场预测精度有限，因此需要更能体现流动特点的湍流模型。1990年Sugiura等人对切向气道-缸内空气运动进行了三维模拟，计算中采用了分区耦合[6]技术以及贴体网格生成技术生成网格。1992年英国