CN115438551A - 一种计算发动机燃烧室隔热效能的cfd-fem联合仿真方法 - Google Patents

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Abstract

一种计算发动机燃烧室隔热效能的CFD‑FEM联合仿真方法，通过建立发动机的CFD和有限元FEM等仿真模型，并基于各种模型间的迭代仿真，实现数据收敛，获取可靠的仿真数据。该方法可以准确的计算隔热对燃油发动机壁面温度以及效能的影响，获取隔热发动机的多种性能参数。

Description

一种计算发动机燃烧室隔热效能的CFD-FEM联合仿真方法
技术领域
本发明涉及发动机技术领域，特别涉及一种发动机采用隔热后的性能仿真方法。
背景技术
为了减少发动机的散热损失，提高发动机性能，燃烧室隔热技术被大量采用。为了探究采用隔热技术对发动机性能提升到底有多大贡献，主要的研究方法有两种包括实验方法和数值模拟方法。实验由于其研究周期长，成本高，而且在发动机工作过程特别是燃烧过程中提供的信息有限。随着计算机技术的发展以及CFD模拟计算的不断进步，对发动机工作过程的仿真逐渐趋于成熟，通过仿真计算可以很好的预测发动机的性能，为发动机的设计提供了很大便利。
但是在对采用隔热技术后对发动机性能提升方面的仿真时，一般都是在原始机型(未隔热机型)的基础上进行的，即只有原始机型的实验数据，没有采用了隔热技术之后的新机型的实验数据，这就导致在采用隔热技术后预测发动机的性能参数时，没有准确的壁面温度边界条件，而壁面温度对发动机充气效率以及散热损失的影响非常大。
发明内容
本公开提供一种计算发动机燃烧室隔热效能的联合仿真方法，可以准确的计算隔热对发动机壁面温度以及性能的影响。
本公开提供计算发动机燃烧室隔热效能的CFD-FEM联合仿真方法，包括：
步骤1、建立发动机的一维性能仿真计算模型并标定；
步骤2、建立与步骤1所建模型相对应的，包含湍流模型、喷雾模型、燃烧模型在内的燃油发动机缸内三维CFD仿真计算模型并标定，利用步骤1所建立的一维模型中所设置的壁面温度作为三维仿真计算的温度边界条件；
步骤3、利用所述三维CFD仿真计算模型，计算整个循环燃烧室各壁面的热流密度q以及燃烧室内工质温度Tgas；
步骤4、建立与步骤2所建立模型相对应的有限元模型，并对其进行模拟隔热处理，将隔热区域对应位置网格的物性参数改为隔热涂层的参数；
步骤5、将步骤3的计算结果作为有限元模型的边界条件，计算燃烧室各壁面瞬态温度，并通过空间平均处理，得到燃烧室各壁面平均温度Tw′all；
步骤6、将Tw′all作为边界条件，输入到三维CFD仿真模型，进一步计算燃烧室内工质温度Tgas及各壁面热流密度q；
步骤7、将Tgas和q作为边界条件输入到有限元模型中，计算燃烧室各壁面温度Tw′all；
重复步骤6、7，直到计算得到的Tw′all收敛；
将最终得到的燃烧室各壁面温度输入到所述一维性能仿真计算模型中，计算充气效率和指示热效率在内的其他效能参数。
进一步地，所述步骤1中，利用Ricardo Wave软件建立燃油发动机的一维性能仿真计算模型。
进一步地，所述步骤2中，利用Converge软件建立燃油发动机缸内三维CFD仿真计算模型，其中湍流模型选用RNGk-ε模型，喷雾破碎模型中采用KH-RT模型，燃烧模型选用SAGE模型。
进一步地，所述步骤S4中利用ABAQUS有限元计算软件建立有限元FEM模型。
进一步地，所述模拟隔热处理，设置隔热涂层涂覆厚度为0.5mm，其中，在无隔热燃烧室的基础上涂覆热障涂层时，先移除0.5mm的基体材料，再涂覆0.5mm的隔热涂层。
进一步地，所述步骤5的具体方法包括：
对于燃烧室各壁面，分别进行如下计算：
通过有限元仿真，得到该壁面的瞬态温度场，利用函数可以表示为Twall＝f(x,y,z,t)；
通过下式处理，将该壁面的温度场转变为T′wall＝f(t)，即通过空间平均处理，得到各时刻该壁面的平均温度：
Figure BDA0003882203160000031
式中，Ti为构成该壁面第i个网格的温度，Si为该壁面第i个网格的面积，S是该壁面总的面积。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：①在缺少隔热后发动机的实验数据时，通过联合仿真的计算方法，可以准确计算发动机的性能参数；②可以实现多种性能参数的计算；③算法的通用性良好，汽油机、柴油机等任何机型都可以使用该方法。
附图说明
通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1显示根据示例性实施例的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
为了计算隔热后发动机燃烧室的壁面温度以及发动机的性能参数，本公开提供了一种发动机燃烧室隔热效能仿真方法。示例性的流程图如附图1所示，具体步骤包括：
步骤1、优选利用Ricardo Wave软件，建立某型增压柴油机的一维性能仿真计算模型，设置其结构参数、几何参数、运行参数后根据实验数据对模型进行标定，标定后的效果是在放热率曲线基本一致的情况下，仿真计算得到缸压曲线与实验测得的缸压曲线基本一致。
步骤2、优选利用Converge软件，建立与步骤一所建模型相对应的，包含湍流模型、喷雾模型、燃烧模型在内的柴油机缸内三维CFD仿真计算模型并标定；其中，湍流模型选用RNGk-ε模型，喷雾破碎模型中采用了KH-RT模型，燃烧模型选用SAGE模型。该CFD模型中边界条件的设置采用第一类边界条件，即设置各边界的壁面温度：利用步骤1所建立的一维模型中所设置的壁面温度作为三维CFD仿真计算的温度边界条件。
步骤3、利用步骤2所建立的CFD模型，计算整个循环燃烧室各壁面的热流密度q以及燃烧室内工质的温度Tgas。
步骤4、优选利用ABAQUS有限元计算软件，建立与步骤2所建立模型相对应的有限元FEM模型，并对该FEM模型进行隔热处理，即模拟涂覆热障涂层，在FEM模型中，设置隔热区域对应位置网格的物性参数，包括：导热率、密度、比热容，来实现隔热，即将原来的参数(铝合金)更改为隔热涂层的参数，例如更改为8YSZ的物性参数，导热率为1.02W/(m·K)，密度为7320kg/m3，比热容为502J/(kg·K)。
其中，隔热涂层涂覆厚度可设置为0.5mm，为了不改变燃烧室的体积，在无隔热燃烧室的基础上涂覆热障涂层时，先移除0.5mm的基体材料，再涂覆0.5mm的隔热涂层。
步骤5、将步骤3的计算结果作为有限元模型的边界条件，即将步骤3计算出的燃烧室内工质温度作为有限元模型的热源，步骤3计算出的燃烧室各壁面的热流值密度值作为FEM模型的热流边界条件，计算燃烧室壁面的温度Twall，然后将燃烧室各壁面的温度在各自的空间区域内进行平均处理。
对该步骤，以活塞为例进行说明：
通过有限元仿真，直接得到的是燃烧室活塞壁面的瞬态温度场，利用函数可以表示为Twall＝f(x,y,z,t)，通过下式处理将燃烧室活塞的温度场转变为Tw′all＝f(t)，即通过空间平均处理，得到各时刻燃烧室活塞的平均温度：
Figure BDA0003882203160000051
式中，Ti为构成燃烧室活塞壁面第i个网格的温度，Si为燃烧室活塞壁面第i个网格的面积，S是燃烧室活塞表面总的面积。
步骤6、将步骤5中最终得到的燃烧室壁面温度，作为边界条件输入到CFD仿真模型，计算燃烧室内工质的温度和燃烧室壁面的热流。
步骤7、将步骤6中计算出的燃烧室内工质的温度和燃烧室壁面的热流作为边界条件输入到有限元模型中，计算燃烧室表面温度。
步骤8：重复步骤6、7，直到计算得到的燃烧室壁面温度收敛，即前后两次计算的燃烧室壁面温度差值的绝对值小于5K。
步骤9：将最终计算得到的燃烧室各壁面温度输入到步骤1所建立的Ricardo Wave模型中，计算充气效率和指示热效率等性能参数。
上述技术方案只是本发明的示例性实施例，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (6)

1.一种计算发动机燃烧室隔热效能的联合仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、建立发动机的一维性能仿真计算模型并标定；
步骤2、建立与步骤1所建模型相对应的，包含湍流模型、喷雾模型、燃烧模型在内的燃油发动机缸内三维CFD仿真计算模型并标定，利用步骤1所建立的一维模型中所设置的壁面温度作为三维仿真计算的温度边界条件；
步骤3、利用所述三维CFD仿真计算模型，计算整个循环燃烧室各壁面的热流密度q以及燃烧室内工质温度Tgas；
步骤4、建立与步骤2所建立模型相对应的有限元模型，并对其进行模拟隔热处理，将隔热区域对应位置网格的物性参数改为隔热涂层的参数；
步骤5、将步骤3的计算结果作为有限元模型的边界条件，计算燃烧室各壁面瞬态温度，并通过空间平均处理，得到燃烧室各壁面平均温度Tw′all；
步骤6、将Tw′all作为边界条件，输入到三维CFD仿真模型，进一步计算燃烧室内工质温度Tgas及各壁面热流密度q；
步骤7、将Tgas和q作为边界条件输入到有限元模型中，计算燃烧室各壁面温度Tw′all；
重复步骤6、7，直到计算得到的Tw′all收敛；
将最终得到的燃烧室各壁面温度输入到所述一维性能仿真计算模型中，计算充气效率和指示热效率在内的其他效能参数。
2.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤1中，利用Ricardo Wave软件建立燃油发动机的一维性能仿真计算模型。
3.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤2中，利用Converge软件建立燃油发动机缸内三维CFD仿真计算模型，其中湍流模型选用RNGk-ε模型，喷雾破碎模型中采用KH-RT模型，燃烧模型选用SAGE模型。
4.如权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤S4中利用ABAQUS有限元计算软件建立有限元FEM模型。
5.如权利要求1-4中任一所述的仿真方法，其特征在于，所述模拟隔热处理，设置隔热涂层涂覆厚度为0.5mm，其中，在无隔热燃烧室的基础上涂覆热障涂层时，先移除0.5mm的基体材料，再涂覆0.5mm的隔热涂层。
6.如权利要求4所述的仿真方法，其特征在于，所述步骤5的具体方法包括：
对于燃烧室各壁面，分别进行如下计算：
通过有限元仿真，得到该壁面的瞬态温度场，利用函数可以表示为Twall＝f(x,y,z,t)；
通过下式处理，将该壁面的温度场转变为Tw′all＝f(t)，即通过空间平均处理，得到各时刻该壁面的平均温度：
Figure FDA0003882203150000021
式中，Ti为构成该壁面第i个网格的温度，Si为该壁面第i个网格的面积，S是该壁面总的面积。
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005249420A (ja) * 2004-03-01 2005-09-15 Mazda Motor Corp エンジン性能の予測解析方法、予測解析システム及びその制御プログラム
CN103088937A (zh) * 2013-01-28 2013-05-08 南京航空航天大学 防冷凝外保温墙体内外侧空气层厚度的设计方法
CN104516998A (zh) * 2013-10-08 2015-04-15 天津大学 基于双面壁面边界条件的超音速火焰喷涂的仿真方法
CN104951628A (zh) * 2015-07-14 2015-09-30 无锡沃尔福汽车技术有限公司 一种基于多目标优化的发动机热力学仿真模型标定方法
CN105486424A (zh) * 2014-09-17 2016-04-13 南京理工大学 燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法
US20170199950A1 (en) * 2016-01-13 2017-07-13 Exa Corporation Data processing method for including the effect of the tortuosity on the acoustic behavior of a fluid in a porous medium
WO2020056405A1 (en) * 2018-09-14 2020-03-19 Northwestern University Data-driven representation and clustering discretization method and system for design optimization and/or performance prediction of material systems and applications of same
CN111625960A (zh) * 2020-05-27 2020-09-04 海南热带汽车试验有限公司 一种基于cfd的e10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法
CN113947003A (zh) * 2021-10-15 2022-01-18 西安交通大学 一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统
WO2022099713A1 (zh) * 2020-11-16 2022-05-19 天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 一种基于 overset 模型的低温碳化炉丝束加热过程三维模拟方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005249420A (ja) * 2004-03-01 2005-09-15 Mazda Motor Corp エンジン性能の予測解析方法、予測解析システム及びその制御プログラム
CN103088937A (zh) * 2013-01-28 2013-05-08 南京航空航天大学 防冷凝外保温墙体内外侧空气层厚度的设计方法
CN104516998A (zh) * 2013-10-08 2015-04-15 天津大学 基于双面壁面边界条件的超音速火焰喷涂的仿真方法
CN105486424A (zh) * 2014-09-17 2016-04-13 南京理工大学 燃烧室内壁瞬态温度场的超声波非侵入式测量方法
CN104951628A (zh) * 2015-07-14 2015-09-30 无锡沃尔福汽车技术有限公司 一种基于多目标优化的发动机热力学仿真模型标定方法
US20170199950A1 (en) * 2016-01-13 2017-07-13 Exa Corporation Data processing method for including the effect of the tortuosity on the acoustic behavior of a fluid in a porous medium
WO2020056405A1 (en) * 2018-09-14 2020-03-19 Northwestern University Data-driven representation and clustering discretization method and system for design optimization and/or performance prediction of material systems and applications of same
CN111625960A (zh) * 2020-05-27 2020-09-04 海南热带汽车试验有限公司 一种基于cfd的e10乙醇汽油发动机燃烧三维仿真方法
WO2022099713A1 (zh) * 2020-11-16 2022-05-19 天华化工机械及自动化研究设计院有限公司 一种基于 overset 模型的低温碳化炉丝束加热过程三维模拟方法
CN113947003A (zh) * 2021-10-15 2022-01-18 西安交通大学 一种面向热流耦合场景的粒子型无网格仿真系统

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LEONARDO FONSECA等: "Internal Combustion Engine Heat Transfer and Wall Temperature Modeling：An overview", ARCHIVES OF COMPUTATIONAL METHODS IN ENGINEERING *
李向荣;陈彦林;赵陆明;刘福水;: "提高柴油机燃烧过程仿真计算精度的标定方法", 农业工程学报, no. 04 *
陈晓飞;仲蕾;庞铭;刘长振;王尚学;: "喷油冷却活塞传热过程的流固耦合分析", 内燃机工程, no. 05 *

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