CN107748818A - 一种微小型转子发动机边界层厚度的预测方法 - Google Patents
一种微小型转子发动机边界层厚度的预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开的一种微小型转子发动机边界层厚度的预测方法，属于流体科学与工程应用技术领域。本发明包括如下步骤：步骤一，确定微小型转子发动机单个速度分析周期内近壁面速度分布具备的特征；步骤二，建立微小型转子发动机工作过程模型；步骤三：给定微小型转子发动机工作过程的初始边界条件；步骤四，根据微小型转子发动机结构确定微小型转子的运功轨迹范围；步骤五：确定微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布。本发明要解决的技术问题是实现对微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布预测，并实现对微小型转子发动机边界层厚度的预测，所述的预测方法既能体现边界层的流动特征，又能体现旋转对近壁面流场的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种微小型转子发动机边界层厚度的预测方法，属于流体科学与工程应用技术领域。
背景技术
目前，出于能源、效率、重量轻和高功率比的要求，微小型转子发动机得以快速的发展，发动机具有运转平稳、转速高、机械损失大及间隙连续变化的特点。
在大型转子发动机中，由于近壁面的的流场特征对燃烧室内的流场的影响较小，在研究过程中可忽略边界层的影响。但是微小型转子发动机由于间隙较小，甚至边界层的厚度已经大于间隙的宽度，近壁面流场的影响无法忽略。
在微小型转子发动机的运转过程中，燃烧室内气体被旋转压缩且转子顶点的运动轨迹呈现非规则的特点。在微小型转子发动机运转的过程中，转子与气缸之间的间隙是连续变化且受到旋转效应的影响。
在转子发动机流场的研究中，目前的研究还没有针对微小型转子发动机的近壁面的流场的研究方案，近壁面的流场对微小型转子发动机的流场的影响很大，在预测流场时需要充分考虑。
发明内容
针对目前微小型转子发动机边界层厚度预测未考虑近壁面流场的因素影响，本发明公开的一种微小型转子发动机边界层厚度的预测方法，要解决的技术问题是实现对微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布预测，并实现对微小型转子发动机边界层厚度的预测，所述的预测方法既能体现边界层的流动特征，又能体现旋转对近壁面流场的影响。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种微小型转子发动机边界层厚度的预测方法，包括以下步骤：
步骤一，确定微小型转子发动机单个速度分析周期内近壁面速度分布具备的特征。
以微小型转子发动机的工作循环为速度分析周期，其中的近壁面速度分布具备的特征为：间隙漏气量循环变化，缸内压力P和温度循环变化T。
建立间隙漏气量循环变化与缸内压力、温度的关系如式(1)所示，
其中：为漏气率；
A为漏气面积；
Rg为气体常数；
M为马赫数；
建立缸内压力P循环变化和温度循环变化关系如式(2)所示。
PV＝mRgT (2)
m为缸内气体质量；
间隙宽度高频循环变化，缸内压力P和温度循环变化T。
步骤二，建立微小型转子发动机工作过程模型。
步骤2.1：以流体力学分析为基础，建立转子的旋转效应和微小间隙的流动控制方程式(3)所示，
ui为流体沿xi方向的速度分量；
t为时间；
p为压力；
Re为旋转雷诺数；
步骤2.2：选定微小型转子发动机的额定工况转速，建立Transition SST湍流模型如式(4)所示，
Gk为湍动能的速度梯度；
Gω为比耗散率的速度梯度；
Γk和Γω分别为k和ω的有效扩散系数；
Yk和Yω分别为k和ω的湍流耗散项；
Dω为交叉扩散项；
步骤2.3：选定微小型转子发动机的额定工况转速，建立转捩模型如式(5)所示，
γ为流动间歇因子；
Pγ1、Eγ1、Pγ2、Eγ2为转捩源项；
μ为流体粘度；
σ为湍流普朗特数；
步骤三：给定微小型转子发动机工作过程的初始边界条件。
所述的初始边界条件包括：进气压力Pin、排气压力Pex、气缸壁面温度Tcylin、转子表面温度Trotor、端盖温度Tcover、湍流系数模型参数a1、间歇因子输运方程的求解系数：Ca1、Ce1、Cr3、σγ。
所述的初始边界条件优选如表一所示，表一根据微小型转子发动机工作条件和经验参数确定。
表一 微小型转子发动机的初始边界条件
步骤四，根据微小型转子发动机结构确定微小型转子的运功轨迹范围；
步骤4.1，根据微小型转子发动机的结构参数，确定微小型转子发动机气缸的型线方程如式(6)所示，
e为偏心距；
R为创成半径；
步骤4.2，根据步骤4.1确定的型线方程，确定转子的公转和自转的速度方程如式(7)所示，
D0，D1为转子公转的x,y坐标；
e为偏心距；
n为发动机的转速；
t为时间；
发动机的自转的角速度表达式为：
ω＝n*2*pi/60
通过如式(7)所示的速度方程确定微小型转子的运功轨迹范围。
步骤五：确定微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布。
步骤5.1：根据预测精度和计算成本划分速度分析周期。
步骤5.2：确定单个速度分析周期内微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布。
步骤5.3：将步骤三的初始边界条件引入到步骤二建立的数学模型进行耦合计算分析，得到单个速度分析周期内微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布。
步骤5.4：根据前一个速度分析周期结束时的边界条件作为下一速度分析周期初始条件，依次进行单个速度分析周期内微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布，进而完成完整的微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布。
还包括步骤六：根据步骤五确定的微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布，并根据式(8)确定微小型转子发动机燃烧室近壁面的厚度分布。
还包括步骤七：根据上述步骤确定的微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布和厚度分布，得到微小型转子发动机近壁面流场分布规律，解决实际工程问题。
步骤七所述的实际工程问题包括减小发动机的摩擦损失，提高发动机的燃烧效率和功率输出。
根据步骤五确定的径向密封片和气缸内壁之间的摩擦损失，指导微小型转子发动机径向密封片设计和工程应用，
有益效果：
1、本发明公开的一种微小型转子发动机近壁面流场分布预测方法，实现对微小型转子发动机近壁面流场分布的预测，得到微小型转子发动机近壁面流场分布规律，解决实际工程问题。
2、本发明公开的一种微小型转子发动机近壁面流场分布预测方法，根据微小型转子发动机结构确定微小型转子的运功轨迹范围过程中，通过式(5)反映旋转效应对微小型转子发动机流场的影响，并反映微小间隙在高剪切力的流场的变化，进而提高对微小型转子发动机近壁面流场分布的预测精度。
附图说明
图1本发明公开的一种微小型转子发动机近壁面流场分布预测方法流程图；
图2为微小转子发动机的流场分布图。
图3为微小型转子发动机的几何图。
图4为微小型转子发动机的气缸边界层和转子边界层。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：为了验证方法的可行性，选择一款商用的小型转子发动机作为研究对象。假设小型转子发动机的创成半径为R＝0.022m，偏心距为e＝0.003m，转速ω＝15000r/min，V为5e-6m3，如图3所示。
如图1所示，本实施例公开的一种微小型转子发动机近壁面流场分布预测方法，具体实现步骤如下：
步骤一，确定微小型转子发动机单个速度分析周期内近壁面速度分布具备的特征。
PV＝mRgT
m＝6e-6kg
步骤二，建立微小型转子发动机工作过程模型。
步骤2.1：以流体力学分析为基础，建立转子的旋转效应和微小间隙的流动控制方程式(3)所示，
Re为100000；
步骤2.2：选定微小型转子发动机的额定工况转速，建立Transition SST湍流模型如式(4)所示，
步骤2.3：选定微小型转子发动机的额定工况转速，建立转捩模型如式(5)所示，
μ为1.822*10-5Pa.s；
σ为1.0；
步骤三：给定微小型转子发动机工作过程的初始边界条件。
表一 微小型转子发动机的初始边界条件
步骤四，根据微小型转子发动机结构确定微小型转子的运功轨迹范围；
步骤4.1，根据微小型转子发动机的结构参数，确定微小型转子发动机气缸的型线方程如式(6)所示，
步骤4.2，根据步骤4.1确定的型线方程，确定转子的公转和自转的速度方程如式(7)所示，
通过如式(7)所示的速度方程确定微小型转子的运功轨迹范围。
步骤五：确定微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布。
步骤5.1：根据预测精度和计算成本划分速度分析周期。
步骤5.2：确定单个速度分析周期内微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布。
步骤5.3：将步骤三的初始边界条件引入到步骤二建立的数学模型进行耦合计算分析，得到单个速度分析周期内微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布。
步骤5.4：根据前一个速度分析周期结束时的边界条件作为下一速度分析周期初始条件，依次进行单个速度分析周期内微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布，进而完成完整的微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布。
还包括步骤六：根据步骤五确定的微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布，并根据式(8)确定微小型转子发动机燃烧室近壁面的厚度分布，如图4所示。
求得W＝15e-6m。
本实施例公开一种微小型转子发动机近壁面边界层厚度厚度预测方法，根据微小型转子发动机结构确定微小型转子的运功轨迹范围过程中，能够反映旋转效应对微小型转子发动机流场的影响，并反映微小间隙在高剪切力的流场的变化，同时提高对微小型转子发动机近壁面边界层厚度的预测精度。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种微小型转子发动机边界层厚度的预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，确定微小型转子发动机单个速度分析周期内近壁面速度分布具备的特征；
以微小型转子发动机的工作循环为速度分析周期，其中的近壁面速度分布具备的特征为：间隙漏气量循环变化，缸内压力P和温度循环变化T；
建立间隙漏气量循环变化与缸内压力、温度的关系如式(1)所示，
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其中：为漏气率；
A为漏气面积；
Rg为气体常数；
M为马赫数；
建立缸内压力P循环变化和温度循环变化关系如式(2)所示；
PV＝mRgT (2)
m为缸内气体质量；
间隙宽度高频循环变化，缸内压力P和温度循环变化T；
步骤二，建立微小型转子发动机工作过程模型；
步骤2.1：以流体力学分析为基础，建立转子的旋转效应和微小间隙的流动控制方程式(3)所示，
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ui为流体沿xi方向的速度分量；
t为时间；
p为压力；
Re为旋转雷诺数；
步骤2.2：选定微小型转子发动机的额定工况转速，建立Transition SST湍流模型如式(4)所示，
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Gω为比耗散率的速度梯度；
Γk和Γω分别为k和ω的有效扩散系数；
Yk和Yω分别为k和ω的湍流耗散项；
Dω为交叉扩散项；
步骤2.3：选定微小型转子发动机的额定工况转速，建立转捩模型如式(5)所示，
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γ为流动间歇因子；
Pγ1、Eγ1、Pγ2、Eγ2为转捩源项；
μ为流体粘度；
σ为湍流普朗特数；
步骤三：给定微小型转子发动机工作过程的初始边界条件；
所述的初始边界条件包括：进气压力Pin、排气压力Pex、气缸壁面温度Tcylin、转子表面温度Trotor、端盖温度Tcover、湍流系数模型参数a1、间歇因子输运方程的求解系数：Ca1、Ce1、Cr3、σγ；
步骤四，根据微小型转子发动机结构确定微小型转子的运功轨迹范围；
步骤五：确定微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布。
2.如权利要求1所述的一种微小型转子发动机边界层厚度的预测方法，其特征在于：还包括步骤六：根据步骤五确定的微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布，并根据式(8)确定微小型转子发动机燃烧室近壁面的厚度分布。
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3.如权利要求2所述的一种微小型转子发动机边界层厚度的预测方法，其特征在于：还包括步骤七：根据上述步骤确定的微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布和厚度分布，得到微小型转子发动机近壁面流场分布规律，解决实际工程问题。
4.如权利要求3所述的一种微小型转子发动机边界层厚度的预测方法，其特征在于：步骤三所述的初始边界条件选如表一所示，表一根据微小型转子发动机工作条件和经验参数确定。
表一 微小型转子发动机的初始边界条件
5.如权利要求1、2、3或4所述的一种微小型转子发动机边界层厚度的预测方法，其特征在于：步骤四具体实现方法为，
步骤4.1，根据微小型转子发动机的结构参数，确定微小型转子发动机气缸的型线方程如式(6)所示，
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D0，D1为转子公转的x,y坐标；
e为偏心距；
n为发动机的转速；
t为时间；
发动机的自转的角速度表达式为：
ω＝n*2*pi/60
通过如式(7)所示的速度方程确定微小型转子的运功轨迹范围。
6.如权利要求5所述的一种微小型转子发动机边界层厚度的预测方法，其特征在于：步骤五具体实现方法为，
步骤5.1：根据预测精度和计算成本划分速度分析周期；
步骤5.2：确定单个速度分析周期内微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布；
步骤5.3：将步骤三的初始边界条件引入到步骤二建立的数学模型进行耦合计算分析，得到单个速度分析周期内微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布；
步骤5.4：根据前一个速度分析周期结束时的边界条件作为下一速度分析周期初始条件，依次进行单个速度分析周期内微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布，进而完成完整的微小型转子发动机燃烧室近壁面的速度分布。
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