CN107451331A - 一种增压柴油机工作过程三维仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种增压柴油机工作过程三维仿真方法，其特征在于在柴油机缸内过程三维仿真模型基础上，加入压气机、涡轮的三维模型，为模拟增压器瞬态工作与响应特性，通过增压器旋转部件所承受的力矩、转动惯量计算瞬时角加速度，再通过时间积分得到增压器转子不同时刻的转速；本发明引入增压器的三维模型能够更加真实地模拟增压柴油机工作过程中各部件的动态特性，可以对增压器的响应进行预测，并有助于揭示柴油机的匹配特性。

Description

一种增压柴油机工作过程三维仿真方法
技术领域
本发明增压柴油机领域，涉及增压柴油机设计仿真技术，具体是一种增压柴油机工作过程三维仿真方法。
背景技术
增压柴油机的工作过程包含增压器（包含压气机与涡轮）旋转部件与柴油机气缸往复运动部件，这两种部件涉及两种不同的工作模式，其匹配问题一直都是增压柴油机设计过程中的重要研究内容。目前通用的方法是对柴油机气缸内工作过程采用一维非定常流动仿真技术，对增压器则采用源自试验的增压器特性曲线，通过能量守恒、转速相同、质量守恒等原则进行增压器部件与柴油机气缸部件的匹配，该方法存在的问题在于忽略增压器转子的响应，一维方法难以揭示气缸与增压器内的复杂的三维、非定常效应，所得到的匹配规律具有较大的不确定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种增压柴油机工作过程三维仿真方法，以解决现有的增压柴油机工作过程仿真方法依赖于一维非定常流动仿真方法、依赖于增压器稳态特性曲线，忽略增压器转子响应问题、难以揭示增压器旋转部件与气缸活塞往复式部件之间复杂三维非定常流动机理与匹配特性的问题。
本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：
一种增压柴油机工作过程三维仿真方法，包括以下步骤：
第一步，在CAD建模软件中建立增压柴油机整机部件的三维模型，包含增压器压气机、进气道、气缸、排气道、增压器涡轮，在网格生成软件中进行柴油机各部件计算网格的生成；
第二步，在商业计算流体力学软件中建立气缸的仿真模型、增压器压气机与增压器涡轮的仿真模型，进气道与排气道的仿真模型；通过进气道实现增压器压气机与气缸的气路连接，通过排气道实现气缸与增压器涡轮的气路连接，建立起增压柴油机的整机模型；
第三步，对所建立的柴油机整机模型设置边界条件设置：对压气机入口设置总温、总压，对涡轮出口设置背压，对气缸活塞设置运动速度，对压气机叶轮与涡轮叶轮的转速通过公式设置；
第四步，设置时间推进方法、时间步长、燃烧模型、湍流模型、差分格式、动网格模型，对柴油机工作过程数值仿真设置总仿真物理时间、设置流场初始值、设置转速初始值，开展增压柴油机工作过程三维数值仿真；
第五步，分析数值仿真结果，获取增压器响应特性、增压柴油机匹配规律。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：将三维非定常数值仿真技术引入增压柴油机的工作过程仿真中，可以对增压器的响应、增压柴油机工作过程中的非定常物理流动过程进行有效地预测，有利于揭示增压柴油机缸内过程与增压器的匹配特性，对增压柴油机的设计具有较强的指导意义。
附图说明
图1是增压柴油机工作过程三维仿真流程图。
图2是增压柴油机装置示意图。
图中1、增压器压气机，2、进气道，3、气缸，4、排气道，5增压器涡轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步阐述：
一种增压柴油机工作过程三维仿真方法，包括如下流程如图1所示，
首先，在CAD建模软件中建立增压柴油机装置的三维模型如图2所示，包括增压器压气机、进气道、气缸、排气道以及增压器涡轮；并在网格生成软件中进行柴油机各部件计算网格的生成；
然后利用通用的商业计算流体力学软件，如ANSYS-Fluent，建立气缸的仿真模型、增压器压气机与增压器涡轮的仿真模型，进气道与排气道的仿真模型；
其中用于计算增压器转速的参数包含：增压器涡轮叶轮所受合力矩MT、压气机叶轮所受合力矩MC、增压器旋转部件（包含压气机叶轮、涡轮叶轮、增压器轴）对转轴的转动惯量IZZ、角加速度α、旋转角速度ω。
旋转角速度计算公式表示为：
（1）
其中表示涡轮旋转角速度的初始值；涡轮叶轮所受力矩MT和压气机叶轮所受力矩MC通过商业计算流体力学求解器提供的力矩表达式求得；转动惯量IZZ通过三维造型软件（如UG、Pro-E）对建立的三维模型进行计算得到，在计算过程中，转动惯量IZZ为常数；
进而建立增压器转速n、转动惯量IZZ、增压器承受力矩M的关系，关系式为：
(2)
其中n0表示转速的初始值。
根据公式（2），在计算流体力学求解器中各物理时间步上构造分段积分式，可以得到增压器的实时转速，所构造的分段积分表达式如下：
（3）
上标i表示数值计算中当前时间步，上标i+1表示下一个时间步，表示当前时间步的时间步长，在计算中，转速n的初始值为0（表示增压器启动状态）或设定的参数值（表示增压器变工况计算中的初始状态）。
通过进气道实现增压器压气机与气缸的气路连接，通过排气道实现气缸与增压器涡轮的气路连接，建立起增压柴油机的整机模型；对该数值模型进行时间推进方法、时间步长、燃烧模型、动网格模型、湍流模型、差分格式、边界条件、数值求解方法的确定，即可得到柴油机整机数值仿真模型。
接着对所建立的柴油机整机模型进行边界条件设置，包括：
涡轮增压器模型：对压气机入口设置总温、总压、涡轮出口设置为背压，压气机叶轮与涡轮叶轮的转速通过公式（3）进行计算得到；
气缸模型：根据柴油机转速，对活塞设置速度边界条件；
压气机出口与进气道入口、进气道出口与气缸入口、气缸出口与排气道入口、排气道出口与涡轮入口均设置为流体与流体的交界面（Fluid-Fluid Interface）。
最后，利用所建立的柴油机整机数值仿真模型对柴油机整机工作过程进行数值仿真，物理时间步长根据柴油机曲轴转角的变化进行换算得到；对增压器内的流场参数包括速度、压强、密度、温度以及增压器与气缸的联合工作特性进行分析，得到增压器的响应特征以及柴油机的整机动态匹配特性；即可对涡轮增压器的响应、柴油机的匹配特性进行预测；
其中，物理时间步长根据柴油机曲轴转角的变化进行换算得到，关系式为
（4）
其中表示柴油机转速，单位为：转/分。
本发明方法基于三维瞬态流动数值仿真技术，以通用的商业计算流体力学软件为计算求解器，在柴油机缸内过程三维仿真模型基础上，增加压气机、涡轮的三维模型，为模拟增压器瞬态工作特性，在涡轮部件中，通过增压器旋转部件所承受力矩、转动惯量计算瞬时角加速度，再通过时间积分得到增压器的实时转速。
本发明与传统的增压柴油机工作过程仿真技术的区别在于将工作过程仿真的维度由一维提升至三维，采用涡轮增压器的三维瞬态仿真取代传统的增压器特性曲线，能够准确地描述增压器对柴油机的响应过程，并有助于揭示增压器与柴油机联合工作时的复杂物理现象，建立二者的匹配规律，并更好地指导工程应用。

Claims (4)

1.一种增压柴油机工作过程三维仿真方法，其特征在于：包括步骤：
第一步，建立柴油机工作过程的三维模型，包含压气机、进气道、气缸、排气道、涡轮，对每一个柴油机组件生成计算网格；
第二步，利用通用商业计算流体力学的内燃机模块建立气缸数值仿真模型，根据柴油机转速设置活塞运动速度，设置动网格重构方法、湍流模型、差分格式、时间格式、数值求解方法；
第三步，在通用商业计算流体力学软件中设置压气机数值仿真模型、涡轮仿真模型，对压气机入口设置总温、总压，对涡轮出口设置背压，对压气机叶轮、涡轮叶轮设置统一的自定义转速变量n；通过进气道、排气道实现压气机、气缸、涡轮的气路连接，得到柴油机的整机模型；
第四步，引入自定义变量M与IZZ；M表示增压器压气机叶轮、涡轮叶轮部件所承受的气动力矩，所述气动力矩以增压器轴为旋转轴，变量M通过商业计算流体力学求解器中提供的力矩表达式求得；IZZ表示增压器旋转部件的转动惯量，通过所提供的包含压气机叶轮、涡轮叶轮与增压器转轴的实体模型计算得到IZZ的参数值，在数值仿真过程中，IZZ为一个恒定值；建立增压器转速n、转动惯量IZZ、增压器承受力矩M的关系，计算得到增压器转速；
第五步，对所建立的柴油机整机模型设置初始值，开展柴油机工作过程仿真，物理时间步长根据柴油机曲轴转角的变化进行换算得到；对增压器内的流场参数包括速度、压强、密度、温度以及增压器与气缸的联合工作特性进行分析，得到增压器的响应特征以及柴油机的整机动态匹配特性。
2.根据权利要求1所述的一种增压柴油机工作过程三维仿真方法，其特征在于：
所述第一步中三维模型采用CAD建模软件完成，所述计算网格采用网格生成软件生成。
3.根据权利要求1所述的一种增压柴油机工作过程三维仿真方法，其特征在于：
所述第四步中建立增压器转速n、转动惯量IZZ、增压器承受力矩M的关系，关系式为：
其中n0表示转速的初始值。
4.根据权利要求1所述的一种增压柴油机工作过程三维仿真方法，其特征在于：
所述第五步中物理时间步长根据柴油机曲轴转角的变化进行换算得到，关系式为
其中表示柴油机转速，单位为：转/分。
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