CN109655273B - 基于cfd的示功图通道效应修正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CFD的示功图通道效应修正方法，示功图通过示功图测试装置得出，在示功图测试装置与待测试缸体之间设置有传压通道，该方法包括以下步骤：S1：构建传压通道的三维几何模型；S2：通过仿真获得缸体的无通道效应的理想缸压曲线px‑ideal(t)；S3：根据无通道效应的理想缸压曲线px‑ideal(t)，基于CFD原理获得缸体的有通道效应的缸压曲线py‑ideal(t)；S4：根据所述无通道效应的理想缸压曲线px‑ideal(t)和所述有通道效应的缸压曲线py‑ideal(t)获得传压通道传递函数H(jω)；S5：示功图测试装置实时测试缸体的真实缸压曲线py‑channel(t)，根据传压通道传递函数H(jω)和缸体的真实缸压曲线py‑channel(t)获得修正后的缸压曲线px‑correct(t)。本发明能得到精准的传递函数，对于有通道效应的缸压曲线修正效果良好。
Description
技术领域
本发明涉及示功图数据处理技术领域，且更具体地涉及一种基于CFD的示功图通道效应修正方法。
背景技术
示功图既是研究和判断内燃机工作状态、基本性能参数计算及放热规律分析的重要依据和不可缺少的资料，也是燃烧过程数字模型精度程度的评价标准。准确提取示功图，有效除去示功图中的各种误差，是获得准确信息的根本保证。但由于现代内燃机结构日益紧凑，很难将缸压传感器安装在与燃烧室齐平的位置，同时为避免传感器受到热冲击，往往不得不在缸压传感器与燃烧室之间加入一段连接通道。该连接通道的采用会对示功图的测试结果产生影响，测试的缸压信号会出现震荡、畸变等，因此如何有效去除示功图中的通道效应误差，准确提取缸压信号，是本领域亟需解决的问题。
现有技术中，为去除示功图中的通道效应误差，通常采用光顺法、幅频曲线修正法和传递函数修正法。光顺法是示功图数据处理中比较常用的纯数学方法，它从时域上对信号进行处理。它以最小二乘法为原则对数据信号进行点对点的多项式拟合。该类方法基本都是局限于曲线的光滑处理，并不能有针对性的处理通道效应对缸压信号的影响。
幅频曲线修正法的本质都是设法将测得的缸压曲线幅度谱上的突起消掉，从而获得无通道效应的幅度谱。该方法对修正通道效应有一定作用，但该方法没有考虑相位失真，因此适用于通道较短的情况，但对于通道较长或通道结构比较复杂的情况，相位失真的情况比较严重，该方法就很难达到满意的效果。另外，该方法只能进行数据后处理，只有对测得的缸压曲线(有通道效应的缸压曲线)的幅度谱进行分析后才能确定修正的参数，因此无法进行实时修正。
传递函数修正法是通过建立传压通道的传递函数，进而得到修正后的示功图。然而现有技术通常是将传压通道的传递函数简化为一个二阶系统进行修正，因此对于一些复杂的传压通道，其修正效果不理想。
因此，需要一种基于CFD的示功图通道效应修正方法，以至少部分地解决现有技术中存在的问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种基于CFD的示功图通道效应修正方法，所述示功图通过示功图测试装置得出，在所述示功图测试装置与待测试缸体之间设置有传压通道，所述示功图通道效应修正方法包括以下步骤：
S1：构建所述传压通道的三维几何模型；
S2：通过仿真获得所述缸体的无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)；
S3：根据所述无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)，基于CFD原理获得所述缸体的有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)；
S4：根据所述无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)和所述有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)获得传压通道传递函数H(jω)；
S5：所述示功图测试装置实时测试所述缸体的真实缸压曲线py-channel(t)，根据所述传压通道传递函数H(jω)和所述缸体的真实缸压曲线py-channel(t)获得修正后的缸压曲线px-correct(t)。
根据本发明的基于CFD的示功图通道效应修正方法，首先构建所述传压通道的三维几何模型；并通过仿真获得所述缸体的无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)；然后基于CFD原理获得所述缸体的有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)，进一步精准地得出所述传压通道传递函数H(jω)，最后在实时测量出所述缸体的真实缸压曲线py-channel(t)时，即可根据所述传压通道传递函数H(jω)和所述缸体的真实缸压曲线py-channel(t)实时获得修正后的缸压曲线px-correct(t)。本发明通过得到精准的传递函数实现了实时地对有通道效应的缸压曲线进行良好地修正。
优选地，所述S3包括：
S31：利用CFD软件对所述传压通道的三维几何模型进行网格划分和定义边界条件；
S32：所述无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)作为所述传压通道入口的压力输入，所述CFD软件计算后获得所述有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)，所述有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)为所述传压通道出口的压力曲线。
由此，利用CFD软件精准得出所述有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)。
优选地，所述S4包括：
S41：根据傅里叶变换分别得出所述无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)的频域特征函数Px-ideal(jω)，和所述有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)的频域特征函数Py-ideal(jω)；
S42：根据公式(1)：
得出所述传压通道传递函数H(jω)；
其中，所述传压通道传递函数H(jω)的幅频特性|H(jω)|根据公式(2)：
得出，在公式(2)中，|Py-ideal(jω)|为所述频域特征函数Py-ideal(jω)的幅频特性，|Px-ideal(jω)|为所述频域特征函数Px-ideal(jω)的幅频特性；
所述传压通道传递函数H(jω)的相频特性∠H(jω)根据公式(3)：∠H(jω)＝∠Py-ideal(jω)-∠Px-ideal(jω)得出，在公式(3)中，∠Py-ideal(jω)为所述频域特征函数Py-ideal(jω)的相频特性，∠Px-ideal(jω)为所述频域特征函数Px-ideal(jω)的相频特性。
由此，利用傅里叶变换，精准获得所述传压通道传递函数H(jω)，以及所述传压通道传递函数H(jω)的幅频特性|H(jω)|和相频特性∠H(jω)。
优选地，所述S5包括：
S51：根据傅里叶变换得出所述缸体的真实缸压曲线py-channel(t)的频域特征函数Py-channel(jω)；
S52：根据公式(4)
和
公式(5)：
得出所述修正后的缸压曲线px-correct(t)，其中，公式(5)为公式(4)的傅里叶逆变换形式，px-correct(jω)为所述修正后的缸压曲线px-correct(t)的频域特征函数。
由此，利用傅里叶变换和傅里叶逆变换，实时获得所述修正后的缸压曲线px-correct(t)。
优选地，所述S2中采用GTpower仿真软件。
优选地，所述CFD软件为AVL Fire软件。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的装置及原理。在附图中，
图1为根据本发明的基于CFD的示功图通道效应修正方法的优选实施方式的流程图；
图2为应用根据本发明的基于CFD的示功图通道效应修正方法的一种发动机的传压通道截面示意图；
图3为图2的发动机的传压通道的传递函数幅度谱；
图4为图2的发动机的传压通道的传递函数相位谱；
图5为图2的发动机的p-α示功图，横坐标crank angle表示曲轴转角α，纵坐标pressure表示缸体内气体压力p。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构，以便阐释本发明。显然，本发明的施行并不限定于该技术领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式，不应当解释为局限于这里提出的实施例。
根据本发明的基于CFD(computational fluid dynamics)的示功图通道效应修正方法可对内燃机、发电机、柴油机等的缸压曲线进行通道效应修正。缸压曲线通过示功图显示，且其所反映的信息通过示功图测试装置测出。通常，在示功图测试装置与待检测的缸体之间设置有传压通道。在本实施方式中，如图2所示，为一种发动机的传压通道10，该发动机的示功图(见图5)示出了缸体内气体压力p随曲轴转角α的变化曲线，即该发动机的示功图为p-α示功图。因此，在本实施方式中，示功图检测装置包括压力传感器和曲轴转角传感器，压力传感器用于检测缸体内气体压力p，曲轴转角传感器用于检测曲轴转角α。
图1示出了根据本发明的基于CFD的示功图通道效应修正方法的流程图。具体地，该修正方法包括以下步骤：
S1：构建传压通道的三维几何模型；
S2：通过仿真获得缸体的无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)；
S3：根据无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)，基于CFD原理获得缸体的有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)；
S4：根据无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)和有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)获得传压通道传递函数H(jω)；
S5：示功图测试装置实时测试缸体的真实缸压曲线py-channel(t)，根据传压通道传递函数H(jω)和缸体的真实缸压曲线py-channel(t)获得修正后的缸压曲线px-correct(t)。
需要说明的是，对于步骤S1，可通过Pro-E软件对传压通道进行三维建模。对于步骤S2，可通过GTpower软件计算发动机的工作过程而获得无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)，也可直接利用类似机型的无通道效应缸压曲线。
根据本发明的基于CFD的示功图通道效应修正方法，首先构建传压通道的三维几何模型；并通过仿真获得缸体的无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)；然后基于CFD原理获得缸体的有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)，进一步精准地得出传压通道传递函数H(jω)，最后在实时测量出缸体的真实缸压曲线py-channel(t)时，即可根据传压通道传递函数H(jω)和缸体的真实缸压曲线py-channel(t)实时获得修正后的缸压曲线px-correct(t)。本发明通过得到精准的传递函数实现了实时地对有通道效应的缸压曲线进行良好地修正。
具体地，步骤S3可以包括：
S31：利用CFD软件对传压通道的三维几何模型进行网格划分和定义边界条件；
S32：无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)作为传压通道入口的压力输入，CFD软件计算后获得有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)，有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)为传压通道出口的压力曲线。
需要说明的是，在本实施方式中，针对图2所示的传压通道10，在步骤S31中，可以采用AVL Fire软件中的FAME网格工具划分计算域的网格。设置网格类型以六面体为主的混合网格，整个计算域内网格大小为0.5mm，考虑到下部细管处流场在高度方向变化较径向小。为减少网格数量将下部细管处网格的高为宽的1.4倍，网格总数约为10万。本实施方式中针对传压通道10的网格划分是经过多次试验得出的优选划分方式。在其他实施方式中，可根据传压通道结构的变化相应地变化网格的划分方式。
继续利用AVL Fire软件定义传压通道10的边界条件。具体地，在仿真模式界面里设置仿真类型为瞬态，时间单位设为曲轴转角；设置网格下部底面为压力边界，设置所有通道壁面为壁面边界条件；介质选择空气；速度-压力耦合方式设为SIMPLEC；开启连续性方程、能量方程，湍流模型选取K-ε模型，介质为可压，壁面区域通过标准壁面函数处理；动量方程差分方式设置为MINMOD RELAXED；连续性方程和湍流方程差分方式设置为中心差分，能量方程差分方式设置为迎风差分；设置最小迭代次数为5，收敛判据选取压力项和动量项，残差大小为0.0001。
利用AVL Fire软件完成网格划分和定义边界条件之后，将无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)作为传压通道10入口的压力输入，启动AVL Fire软件计算功能，提取有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)，有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)即为传压通道10出口的压力曲线。
具体地，步骤S4可以包括：
S41：根据傅里叶变换分别得出无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)的频域特征函数Px-ideal(jω)，和有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)的频域特征函数Py-ideal(jω)；
S42：根据公式(1)：得出传压通道传递函数H(jω)；
其中，传压通道传递函数H(jω)的幅频特性|H(jω)|根据公式(2)：
得出，在公式(2)中，|Py-ideal(jω)|为频域特征函数Py-ideal(jω)的幅频特性，|Px-ideal(jω)|为频域特征函数Px-ideal(jω)的幅频特性；
传压通道传递函数H(jω)的相频特性∠H(jω)根据公式(3)：∠H(jω)＝∠Py-ideal(jω)-∠Px-ideal(jω)得出，在公式(3)中，∠Py-ideal(jω)为频域特征函数Py-ideal(jω)的相频特性，∠Px-ideal(jω)为频域特征函数Px-ideal(jω)的相频特性。
需要说明的是，在本实施方式中，执行步骤S41和S42之后，传压通道10的传压通道传递函数H(jω)幅度谱和相位谱分别如图3和图4所示。
具体地，步骤S5可以包括：
S51：根据傅里叶变换得出缸体的真实缸压曲线py-channel(t)的频域特征函数Py-channel(jω)；
S52：根据公式(4)
和
公式(5)：
得出修正后的缸压曲线px-correct(t)，其中，公式(5)为公式(4)的傅里叶逆变换形式，px-correct(jω)为修正后的缸压曲线px-correct(t)的频域特征函数。
需要说明的是，在本实施方式中，执行步骤S51和S52之后，得出传压通道10的修正后的缸压曲线如图5中的“correction”曲线所示。由图5可知，修正后的缸压曲线px-correct(t)与无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)非常吻合。修正后的缸压曲线px-correct(t)的最大爆发压力值与无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)的最大爆发压力值基本一致，且两者的最大爆发压力位置也基本一致，很好地消除了通道效应引起的爆发压力偏高的影响，本发明的修正方法效果良好。
除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“部件”等术语既可以表示单个的零件，也可以表示多个零件的组合。本文中出现的诸如“安装”、“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施方式，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。
Claims (6)
1.一种基于CFD的示功图通道效应修正方法，所述示功图通过示功图测试装置得出，在所述示功图测试装置与待测试缸体之间设置有传压通道，其特征在于，所述示功图通道效应修正方法包括以下步骤：
S1：构建所述传压通道的三维几何模型；
S2：通过仿真获得所述缸体的无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)；
S3：根据所述无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)，基于CFD原理获得所述缸体的有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)；
S4：根据所述无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)和所述有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)获得传压通道传递函数H(jω)；
S5：所述示功图测试装置实时测试所述缸体的真实缸压曲线py-channel(t)，根据所述传压通道传递函数H(jω)和所述缸体的真实缸压曲线py-channel(t)获得修正后的缸压曲线px- correct(t)。
2.根据权利要求1所述的示功图通道效应修正方法，其特征在于，所述S3包括：
S31：利用CFD软件对所述传压通道的三维几何模型进行网格划分和定义边界条件；
S32：所述无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)作为所述传压通道入口的压力输入，所述CFD软件计算后获得作为所述传压通道出口的压力曲线的所述有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)。
3.根据权利要求1所述的示功图通道效应修正方法，其特征在于，所述S4包括：
S41：根据傅里叶变换分别得出所述无通道效应的理想缸压曲线px-ideal(t)的频域特征函数Px-ideal(jω)，和所述有通道效应的缸压曲线py-ideal(t)的频域特征函数Py-ideal(jω)；
S42：根据公式(1)：
得出所述传压通道传递函数H(jω)；
其中，所述传压通道传递函数H(jω)的幅频特性|H(jω)|根据公式(2)：
得出，在公式(2)中，|Py-ideal(jω)|为所述频域特征函数Py-ideal(jω)的幅频特性，|Px-ideal(jω)|为所述频域特征函数Px-ideal(jω)的幅频特性；
所述传压通道传递函数H(jω)的相频特性∠H(jω)根据公式(3)：∠H(jω)＝∠Py-ideal(jω)-∠Px-ideal(jω)得出，在公式(3)中，∠Py-ideal(jω)为所述频域特征函数Py-ideal(jω)的相频特性，∠Px-ideal(jω)为所述频域特征函数Px-ideal(jω)的相频特性。
4.根据权利要求1所述的示功图通道效应修正方法，其特征在于，所述S5包括：
S51：根据傅里叶变换得出所述缸体的真实缸压曲线py-channel(t)的频域特征函数Py-channel(jω)；
S52：根据公式(4)
和
公式(5)：
得出所述修正后的缸压曲线px-correct(t)，其中，公式(5)为公式(4)的傅里叶逆变换形式，px-correct(jω)为所述修正后的缸压曲线px-correct(t)的频域特征函数。
5.根据权利要求1所述的示功图通道效应修正方法，其特征在于，所述S2中采用GTpower仿真软件。
6.根据权利要求2所述的示功图通道效应修正方法，其特征在于，所述CFD软件为AVLFire软件。
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