CN110134991A - 基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，包括如下步骤：根据分层扫气发动机的设计图纸，确定分层扫气发动机的基本尺寸，扫气道的尺寸、位置及个数，主副进气道的尺寸和位置、活塞凹槽的尺寸和位置，利用UG建立实体模型；利用ICEM对发动机模型划分网格并输出*.msh格式文件；Fluent读取*.msh文件，再设置相关计算参数并开始模拟计算；将计算结果导入CFD‑Post后处理，输出结果更加直观，根据计算结果变更模型参数，重复上述计算步骤，直至得到最优参数条件组合。本发明通过利用数值模拟方法，实现了对分层扫气发动机结构参数优化，为分层扫气发动机的设计生产提供优化指导，降低了反复加工发动机造成的成本损失。
Description
技术领域
本发明属于分层扫气发动机技术领域，特别涉及一种基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法。
背景技术
小型二冲程发动机由于其功重比高、结构简单、技术成熟、成本较低等诸多优点，在无人机等小型航空飞行器上有着非常广泛的应用。然而其扫气期间新鲜混合气的损失不可避免，使其燃油消耗率和未燃混合气排放量较高，也限制了二冲程汽油机的广泛应用。分层扫气是使混合气和废气之间形成分层介质，并由其承担扫气损失的扫气方法。分层介质先于混合气进入气缸形成分层扫气。但是大量分层介质先于混合气进入气缸将会影响气缸内可燃混合气的均匀混合，使得火花塞电极周围混合气较稀以至于点火延迟甚至点火困难。进入气缸内分层介质的质量对缸内混合气的混合影响较大，从而对发动机的性能也有很大影响，因此设计调节好分层扫气系统是提高发动机燃油经济性和减少未燃混合气排放的重要研究方向。
在发动机的设计生产过程中，每一次调整分层介质的质量都需要重新设计分层扫气系统的基本尺寸，改变分层扫气系统的基本尺寸和位置都需要对缸体进行重新加工，发动机的重新加工会提高生产制造成本，因此在生产阶段之前有必要对分层扫气发动机进行仿真模拟并对其进行结构优化。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，该方法将分层扫气发动机的设计生产过程简化，减少了设计生产分层扫气发动机的制造成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，包括以下步骤：
步骤1、根据分层扫气发动机设计图纸，得到发动机基本尺寸参数，利用三维绘图软件UG建立分层扫气发动机实体模型并输出*.ParaSolid文件；
步骤2、将步骤1中输出的*.ParaSolid文件导入ICEM进行网格划分并输出*.msh文件；
步骤3、利用Fluent软件读取步骤2中得到的*.msh文件，设置分层扫气发动机实体模型的数学模型、动网格模型、网格交互模型以及边界条件，设定数值模拟计算的初始化条件，并开始数值模拟计算，得到*.cas和*.dat结果文件；
步骤4、将步骤3中的*.cas和*.dat结果文件导入后处理软件CFD-Post中，得到分层扫气发动机模拟图像数据，包括发动机内部的浓度分布云图和质量流量图；
步骤5、输出步骤4中的模拟图形数据；
步骤6、重复步骤1~5，进行多次数值模拟，每一次数值模拟时改变步骤1中的发动机基本尺寸参数和步骤3中的动网格模型和边界条件；
步骤7、对比步骤5中多次数值模拟输出的模拟图形数据，得到分层扫气发动机分层扫气系统的最佳参数条件。
根据步骤7）中得到的分层扫气系统的最佳参数条件，对分层扫气发动机的设计提供优化指导。
进一步的，所述步骤1中，发动机基本尺寸参数包括发动机内部尺寸、扫气道的尺寸和位置、副进气道的尺寸和位置、活塞凹槽的尺寸和位置。
进一步的，所述步骤2中，分层扫气发动机实体模型经过网格划分，网格数目为40万-50万。
进一步的，所述步骤3中，所述数学模型包括能量模型、湍流模型、组分运输模型。
进一步的，所述步骤3中，湍流模型采用标准k-e模型；组分运输模型采用n-octane-air模型；动网格模型中Mesh Methods采用Layering模型，Options选择In-Cylinder模型。
进一步的，所述步骤3中，网格交互模型包括副进气道与活塞的交互面，活塞与扫气道的交互面，扫气道与气缸体的交互面。
进一步的，所述步骤3中，边界条件包括扫气口压力、副进气口压力、排气口压力。
进一步的，所述步骤3中，设定数值模拟计算的初始化条件为利用Fluent软件的Patch功能划分扫气道、燃烧室、活塞、副进气道、排气管、排气消声器的压力和温度。
进一步的，所述步骤6中，改变的发动机基本尺寸参数包括扫气道的尺寸和位置、副进气道的尺寸和位置、活塞凹槽的尺寸和位置，改变的动网格模型为发动机转速，改变的边界条件为扫气口压力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明由于发动机扫气过程涉及到传热和传质，利用Fluent软件模拟分层扫气发动机的扫气过程，可以得到扫气过程中的各个物理参数及其随发动机转速变化的情况，这些参数可以反映出扫气过程的好坏。
附图说明
图1是本发明的基本流程图；
图2是本发明的使用的分层扫气发动机结构简图；
图3是本发明计算结束之后得到的副进气口质量流量图；
图4是本发明计算结束之后得到的混合气浓度分布云图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
实施例1
一种基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，包括以下步骤：
步骤1、根据分层扫气发动机设计图纸，得到发动机基本尺寸参数，利用三维绘图软件UG建立分层扫气发动机实体模型并输出*.ParaSolid文件；具体地讲：发动机基本尺寸参数包括发动机内部尺寸、扫气道的尺寸和位置、副进气道的尺寸和位置、活塞凹槽的尺寸和位置；
步骤2、将步骤1中输出的*.ParaSolid文件导入ICEM进行网格划分并输出*.msh文件；具体地讲：分层扫气发动机实体模型经过网格划分，网格数目为40万-50万；
步骤3、利用Fluent软件读取步骤2中得到的*.msh文件，设置分层扫气发动机实体模型的数学模型、动网格模型、网格交互模型以及边界条件，设定数值模拟计算的初始化条件，并开始数值模拟计算，得到*.cas和*.dat结果文件；
具体地讲：所述数学模型包括能量模型（直接勾选能量模型即可）、湍流模型、组分运输模型；其中：湍流模型采用标准k-e模型；组分运输模型采用n-octane-air模型；动网格模型中Mesh Methods采用Layering模型，Options选择In-Cylinder模型；网格交互模型包括副进气道与活塞的交互面，活塞与扫气道的交互面，扫气道与气缸体的交互面。边界条件包括扫气口压力、副进气口压力、排气口压力。
设定数值模拟计算的初始化条件为利用Fluent软件的Patch功能划分扫气道、燃烧室、活塞、副进气道、排气管、排气消声器的压力和温度。
步骤4、将步骤3中的*.cas和*.dat结果文件导入后处理软件CFD-Post中，得到分层扫气发动机模拟图像数据，包括发动机内部的浓度分布云图和质量流量图；
步骤5、输出步骤4中的模拟图形数据；
步骤6、重复步骤1~5，进行多次数值模拟，每一次数值模拟时改变步骤1中的发动机基本尺寸参数和步骤3中的动网格模型和边界条件；具体地讲：改变的发动机基本尺寸参数包括扫气道的尺寸和位置、副进气道的尺寸和位置、活塞凹槽的尺寸和位置，改变的动网格模型为发动机转速，改变的边界条件为扫气口压力。
步骤7、对比步骤5中多次数值模拟输出的模拟图形数据，得到分层扫气发动机分层扫气系统的最佳参数条件。
根据步骤7）中得到的分层扫气系统的最佳参数条件，对分层扫气发动机的设计提供优化指导。
实施例2
一种基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，包括以下步骤：
1）根据发动机设计图纸，得到分层扫气发动机基本尺寸参数，利用三维绘图软件UG建立分层扫气发动机实体模型并输出*.ParaSolid文件；
发动机实体模型如图2所示，包括扫气道1、副进气道2、活塞3、燃烧室4、排气管5、排气消声器6；
2）将步骤1中输出的*.ParaSolid文件导入ICEM进行网格划分并输出*.msh文件；
3）利用Fluent软件读取步骤2中得到的*.msh文件，设置分层扫气发动机实体模型的数学模型（能量模型、湍流模型、组分运输模型）、动网格模型（Layering模型、In-Cylinder模型）、网格交互模型以及边界条件（扫气口压力、副进气口压力、排气口压力），选择SIMPLE算法，设定数值模拟计算的初始化条件，并开始数值模拟计算，得到*.cas和*.dat结果文件；
其中Fluent设定过程如下：
Read Mesh; /导入*.msh文件
Scale； /设定模型大小
Models； /选择数学模型
Energy-on; /选择能量模型
Viscous-Standard k-e , Standard Wall Functions; /选择湍流模型
Species-Species Transport; /选择组分运输模型
Boundary Conditions; /设定边界条件
Pressure-inlet；
Gauge Total Pressure-UDF
Species-UDF
Pressure-outlet
Gauge Pressure-UDF
Mesh Interface; /设定交互面
Dynamic Mesh； /设定动网格模型
Mesh Methods；
Solution Methods-SIMPLE; /设定求解方法
Solution Controls； /设定松弛因子
Solution Initialization； /设定初始化条件
Calculation； /开始计算
4）将步骤3中的结果文件（*.cas、*.dat）导入CFD-Post中，得到分层扫气系统副进气口的质量流量和扫气道内混合气的浓度分布云图；
步骤4中得到的副进气口质量流量图（如图3）和混合气浓度分布云图（如图4），图3显示了随发动机活塞上下运动副进气口的纯空气流量，对其进行积分可以得到留存在扫气道内的分层介质的质量，图4显示了扫气道混合气的浓度分布云图，可以直观的反应分层介质的体积。
5）输出步骤4中的模拟图形数据，
6）通过改变步骤1的相关参数包括：扫气道的尺寸和位置、副进气道的尺寸和位置、活塞凹槽的尺寸和位置、发动机转速、扫气口压力，重复步骤2、3、4，对比模拟结果的质量流量图和混合气浓度分布云图，能直观的判断调整参数之后的效果；
7）根据步骤5中得到的分层扫气系统结构优化的结果，选择比较合适的扫气道的尺寸和位置、副进气道的尺寸和位置、活塞凹槽的尺寸和位置，指导分层扫气的设计和制造。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、根据分层扫气发动机设计图纸，得到发动机基本尺寸参数，利用三维绘图软件UG建立分层扫气发动机实体模型并输出*.ParaSolid文件；
步骤2、将步骤1中输出的*.ParaSolid文件导入ICEM进行网格划分并输出*.msh文件；
步骤3、利用Fluent软件读取步骤2中得到的*.msh文件，设置分层扫气发动机实体模型的数学模型、动网格模型、网格交互模型以及边界条件，设定数值模拟计算的初始化条件，并开始数值模拟计算，得到*.cas和*.dat结果文件；
步骤4、将步骤3中的*.cas和*.dat结果文件导入后处理软件CFD-Post中，得到分层扫气发动机模拟图像数据，包括发动机内部的浓度分布云图和质量流量图；
步骤5、输出步骤4中的模拟图形数据；
步骤6、重复步骤1~5，进行多次数值模拟，每一次数值模拟时改变步骤1中的发动机基本尺寸参数和步骤3中的动网格模型和边界条件；
步骤7、对比步骤5中多次数值模拟输出的模拟图形数据，得到分层扫气发动机分层扫气系统的最佳参数条件。
2.根据权利要求1所述的基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，其特征在于：所述步骤1中，发动机基本尺寸参数包括发动机内部尺寸、扫气道的尺寸和位置、副进气道的尺寸和位置、活塞凹槽的尺寸和位置。
3.根据权利要求1所述的基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，其特征在于：所述步骤2中，分层扫气发动机实体模型经过网格划分，网格数目为40万-50万。
4.根据权利要求1所述的基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，其特征在于：所述步骤3中，所述数学模型包括能量模型、湍流模型、组分运输模型。
5.根据权利要求4所述的基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，其特征在于：所述步骤3中，湍流模型采用标准k-e模型；组分运输模型采用n-octane-air模型；动网格模型中Mesh Methods采用Layering模型，Options选择In-Cylinder模型。
6.根据权利要求1所述的基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，其特征在于：所述步骤3中，网格交互模型包括副进气道与活塞的交互面，活塞与扫气道的交互面，扫气道与气缸体的交互面。
7.根据权利要求1所述的基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，其特征在于：所述步骤3中，边界条件包括扫气口压力、副进气口压力、排气口压力。
8.根据权利要求1所述的基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，其特征在于：所述步骤3中，采用SIMPLE算法进行数值模拟计算。
9.根据权利要求1所述的基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，其特征在于：所述步骤3中，设定数值模拟计算的初始化条件为利用Fluent软件的Patch功能划分扫气道、燃烧室、活塞、副进气道、排气管、排气消声器的压力和温度。
10.根据权利要求1所述的基于Fluent软件对分层扫气发动机结构优化的方法，其特征在于：所述步骤6中，改变的发动机基本尺寸参数包括扫气道的尺寸和位置、副进气道的尺寸和位置、活塞凹槽的尺寸和位置，改变的动网格模型为发动机转速，改变的边界条件为扫气口压力。
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| CN110795778A (zh) * | 2019-09-18 | 2020-02-14 | 中南大学 | 一种基于Fluent软件对旋流电解槽结构优化的方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN106055835A (zh) * | 2016-06-27 | 2016-10-26 | 中南大学 | 一种基于Fluent软件对底吹炉结构优化的方法 |
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| 陆军: "基于CFD对1E40F型二冲程发动机扫气过程数值模拟及排放控制研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》 * |
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