CN115688402A - 水下活塞机动力系统模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下活塞机动力系统模型建立方法，属于水下航行器动力系统领域，包括：简化并绘制活塞机三维模型；建立网格模型，设置边界条件；设置CFD软件，选择计算模型编写UDF，仿真活塞机做工过程；使用MATLAB处理仿真所得到的数据，求出活塞机指示功；对多组指示功数值进行拟合，得到活塞机指示功一维求解模型；结合理论推导和指示功一维求解模型得到活塞机动力系统模型。本发明相比于现有技术步骤简单、无需试验、成本低廉、稳定可靠、精度较高。

Description

水下活塞机动力系统模型建立方法

技术领域

本发明属于水下航行器动力系统技术领域，具体涉及水下活塞机动力系统模型建立方法。

背景技术

水下航行器在现代海战中扮演着越来越重要的角色，国家需要多样化的水下航行器满足不同的需求。水下发动机动力系统设计是航行器设计重要环节，其设计会涉及多个变量参数，需要根据试验结果多次修改才能达到预期。但是试验研究耗时耗费巨大。

水下航行器活塞动力系统主由燃料储仓、燃料泵、燃烧室、活塞机、发电机、海水泵、滑油泵组成。燃料由燃料泵从燃料储仓进入燃烧室，在燃烧室燃烧改变燃烧室压强进而推动活塞机转动做功，活塞机输出转矩推动燃料泵、发电机、海水泵、滑油泵运行。水下活塞机动力系统数学模型主要包含三个部分：燃烧室特性方程、动力系统特性方程和活塞机输出转矩方程。其中燃烧室特性方程和动力系统特性方程的参数预设的，活塞机输出转矩方程中的指示功数值需要通过试验监测活塞机输出功率，逆推出压降系数，才能求解得到；但是该模型建立时的部分参数依旧需要通过试验才能获得，所以该模型多用于理论研究，工程应用较少，得到的模型精度低。

发明内容

本发明的目的是提供水下活塞机动力系统模型建立方法，能够简化建立过程，得到的模型精度高。

本发明所采用的技术方案是，水下活塞机动力系统模型建立方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、简化活塞机的物理模型，绘制活塞机的三维几何模型，并进行网格划分；

步骤2、设定区域边界条件；

步骤3、设置活塞机进气槽和排气槽围绕弧面内接圆中心旋转，进气槽和排气槽底部先后经过气缸顶部，另外编写UDF控制气缸底部做往复运动来模拟活塞运动，往复周期和进排气槽旋转周期保持一致；

步骤4、选择压力速度耦合基下的k-omega-SST湍流模型进行仿真求解，设置压力入口压强和温度、压力出口压强和温度以及气缸内部初始压强和温度，监测活塞机气缸内部体积V和缸内压强P随时间T的变化，分别得到P-T图和V-T图；将两者组合，绘制活塞机的P-V示功图；

步骤5、固定压力出口压强为2MPa，压力入口压强从3MPa起，以每次增加1MPa的速度逐渐递增；返回步骤4，对不同工况下的活塞机做功过程进行仿真；将不同工况下P-V图中峰值压强超过压力入口压强的百分比作为过膨胀程度，过膨胀程度达到3％时作为膨胀临界，求过膨胀临界发生时的进气压强和排气压强之比；

步骤6、进排气压强比小于等于过膨胀临界进排气压强比的是过膨胀工况，否则是正常工况，分别选取20组过膨胀工况和20组正常工况，返回步骤4，求出对应的P-V图的面积，以工况中的进气压强和排气压强为自变量，面积数值为应变量，用一维多项式对过膨胀工况和正常工况分别进行拟合，得到的拟合公式即为指示功一维求解模型；

步骤7、将活塞机指示功一维求解模型乘上系数C_e得到活塞机输出转矩方程，根据活塞机输出转矩方程求解动力系统特性方程，转速代入完全气体状态方程得到燃烧室特性方程，三个方程组合即为水下活塞机动力系统模型。

本发明的特点还在于：

步骤1活塞机三维几何模型简化方法为：仅保留进气槽、排气槽、气缸三个部件，进气槽和排气槽简化成开口的柱状体，气缸简化为圆柱体，气缸顶部和进气槽和排气槽底部重合。

步骤2中边界条件为：设定进气槽顶部为压力入口，排气槽顶部为压力出口，进气槽底部、排气槽底部、气缸顶部为交界面，其余表面均设定为壁面。

步骤3中编写UDF控制气缸底部做往复运动来模拟活塞运动中，往复运动的位移方程为

其中S为活塞冲程，i为活塞机每转一周各气缸的工作循环数，ω为活塞机转速。

步骤6中用一维多项式对过膨胀工况和正常工况分别进行拟合，具体过程为：将两组指示功数值与对应的进气口压强和排气口压强分别导入到MATLAB中，使用cftool工具进行拟合；拟合公式为w＝x₁P_c+x₂P_e+x₃；其中P_c为进气口压强，P_e为排气口压强，w为指示功。

步骤7中将活塞机指示功一维求解模型乘上系数C_e得到活塞机输出转矩方程，表达式为：

M_e＝C_ew；

其中

i为活塞机每转一周各个气缸的工作循环数，z为活塞机气缸数目，v为活塞机气缸容积，η为活塞机械效率。

步骤7中动力系统特性方程具体方程为：

其中M_e为活塞机输出转矩，I为活塞机转动惯量，a_n1、a_n2、a_n3由活塞机动力系统内的辅机的功率决定。

步骤7中燃烧室特性方程表达式为：

其中R为完全气体常数，R为完全气体常数，T为气缸温度，C_em为活塞机工质秒消耗量正值组合因数。

本发明的有益效果是：

1)本发明水下活塞机动力系统模型建立方法，建立步骤简便，成本低廉，模型精度高，仅需要水下活塞机的三维模型和一台电子计算机即可完成全部过程；

2)通过本发明方法建立的模型只需要简单修改参数即可完成不同工况下的仿真；

3)适用于各种型号的活塞机，且可以通过CFD设定不同的环境介质。

附图说明

图1为本发明水下活塞机动力系统模型建立方法流程图；

图2是本发明中活塞机的简化三维模型；

图3是本发明中模型的边界条件；

图4是进气压强20Mpa排气压强2Mpa工况下的P-V示意功图；

图5是水下活塞机动力系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明水下活塞机动力系统模型建立方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1、简化活塞机的物理模型，绘制活塞机的三维几何模型，并进行网格划分；

活塞机三维几何模型简化方法为：仅保留进气槽、排气槽、气缸三个部件，进气槽和排气槽简化成开口的柱状体，气缸简化为圆柱体，气缸顶部和进气槽和排气槽底部重合。

步骤2、设定区域边界条件；边界条件为：设定进气槽顶部为压力入口，排气槽顶部为压力出口，进气槽底部、排气槽底部、气缸顶部为交界面，其余表面均设定为壁面。

步骤3、设置活塞机进气槽和排气槽围绕弧面内接圆中心旋转，进气槽和排气槽底部先后经过气缸顶部，另外编写UDF控制气缸底部做往复运动来模拟活塞运动，往复周期和进排气槽旋转周期保持一致；

编写UDF控制气缸底部做往复运动来模拟活塞运动中，往复运动的位移方程为

其中S为活塞冲程，i为活塞机每转一周各气缸的工作循环数，ω为活塞机转速。

步骤4、选择压力速度耦合基下的k-omega-SST湍流模型(Fluent软件中求解模型的一种，用于求解涉及湍流的仿真计算)进行仿真求解，设置压力入口压强和温度、压力出口压强和温度以及气缸内部初始压强和温度，监测活塞机气缸内部体积V和缸内压强P随时间T的变化，分别得到P-T图和V-T图；将两者组合，绘制活塞机的P-V示功图；

步骤5、固定压力出口压强为2MPa，压力入口压强从3MPa起，以每次增加1MPa的速度逐渐递增；返回步骤4，对不同工况下的活塞机做功过程进行仿真；将不同工况下P-V图中峰值压强超过压力入口压强的百分比作为过膨胀程度，过膨胀程度达到3％时作为膨胀临界，求过膨胀临界发生时的进气压强和排气压强之比；

步骤6、进排气压强比小于等于过膨胀临界进排气压强比的是过膨胀工况，否则是正常工况，分别选取20组过膨胀工况和20组正常工况，返回步骤4，求出对应的P-V图的面积，以工况中的进气压强和排气压强为自变量，面积数值为应变量，用一维多项式对过膨胀工况和正常工况分别进行拟合，得到的拟合公式即为指示功一维求解模型；

用一维多项式对过膨胀工况和正常工况分别进行拟合，具体过程为：将两组指示功数值与对应的进气口压强和排气口压强分别导入到MATLAB中，使用cftool工具进行拟合；拟合公式为w＝x₁P_c+x₂P_e+x₃；其中P_c为进气口压强，P_e为排气口压强，w为指示功。

步骤7、将活塞机指示功一维求解模型乘上系数C_e得到活塞机输出转矩方程，根据活塞机输出转矩方程求解动力系统特性方程，转速代入完全气体状态方程得到燃烧室特性方程，三个方程组合即为水下活塞机动力系统模型。

将活塞机指示功一维求解模型乘上系数C_e得到活塞机输出转矩方程，表达式为：

M_e＝C_ew；

其中

i为活塞机每转一周各个气缸的工作循环数，z为活塞机气缸数目，v为活塞机气缸容积，η为活塞机械效率。

动力系统特性方程具体方程为：

其中M_e为活塞机输出转矩，I为活塞机转动惯量，a_n1、a_n2、a_n3由活塞机动力系统内的辅机的功率决定。

燃烧室特性方程表达式为：

其中R为完全气体常数，R为完全气体常数，T为气缸温度，C_em为活塞机工质秒消耗量正值组合因数。

本发明的模型建立方法中，通过对活塞机做工过程数值仿真的方法即步骤1-5，代替试验来建立活塞机输出转矩方程，进而结合理论推导建立水下活塞机动力系统模型。相比于传统方法有着无需试验、成本低廉、稳定可靠、精度较高的优点。

实施例

下面结合附图和某型活塞机进行具体说明：

水下活塞机动力系统构成如图2所示。水下活塞发动机动力系统模型可以简化为以下几个方程：

动力系统特性方程：

活塞机输出转矩为：

M_e＝C_ew

由带入上文得到的指示功一维模型：

M_e＝C_e(x₁P_c+x₂P_e+x₃)

燃烧室特性方程为：

其中ω是发动机转速、q为燃料泵排量、M_e为活塞机输出转矩、w为指示功。其中x₁、x₂、x₃在上文已经求出。其余a_n1、a_n2、a_n3、a_n4、C_e、α_p0、α_p1均可由活塞机设计时所拟定的参数计算得出。

活塞机做功部分主要与其配气机构和气缸有关。对活塞机物理模型进行简化，配气机构简化为排气槽和进气槽，气缸只取其中一个进行处理。简化结果如图3所示。

将简化后的活塞机三维模型导入到ICEM中进行网格划分处理，并设置边界条件，边界条件的设置如图4所示。

将划分好的网格导入到CFD软件，设置压力入口压强为20Mpa，温度为1430k；压力出口压强为2Mpa，温度为800k；初始压强10Mpa；活塞机转速2150r/min；迭代步长取2.08×10^-5s，监测缸内体积和气缸内的压强随时间变化。仿真活塞机旋转一周即可，所以迭代步数为1341步。

仿真结束后，将监测得到的数据导入MATLAB，以气缸内部体积变化为自变量，缸内压强为应变量，得到活塞机的P-V示功图，如图5所示。使用上述公式求得P-V示功图面积为670.47，即活塞机在进气压强20Mpa、排气压强2Mpa工况下的指示功是670.47J。

修改初始条件中的压力入口压强和压力出口压强，绘制不同进排气压强比工况下的P-V示功图，计算峰值压强超过进气压强的百分比。发现在进排气压强比大于3.5时,过膨胀程度小于3％。

以进排气压强比3.5为分界线，分别仿真进排气压强比大于和小于3.5的工况各20个，并计算出相应的指示功数值。

将两组指示功数值导入到MATLAB中，使用cftool工具进行拟合。拟合公式为w＝x₁P_c+x₂P_e+x₃；其中P_c为进气口压强，P_e为排气口压强，w为指示功。得到活塞机的指示功一维计算模型为：

当进排气压强比小于3.5时：

w＝3.868×10^-5P_c-5.167×10^-5P_e-1.452

当进排气压强比大于等于3.5时：

w＝3.885×10^-5P_c-5.257×10^-5P_e-1.197

将用指示功一维计算模型求出的结果和仿真结果进行对比，其平均相对误差0.08％，最大的相对误差为0.27％，满足精度要求。

通过上述方式，本发明一种水下活塞机动力系统模型建立方法，属于水下航行器动力系统领域，包括：简化并绘制活塞机三维模型；建立网格模型，设置边界条件；设置CFD软件，选择计算模型编写UDF，仿真活塞机做工过程；使用MATLAB处理仿真所得到的数据，求出活塞机指示功；对多组指示功数值进行拟合，得到活塞机指示功一维求解模型；结合理论推导和指示功一维求解模型得到活塞机动力系统模型。本发明相比于现有技术步骤简单、无需试验、成本低廉、稳定可靠、精度较高。

Claims (8)

1.水下活塞机动力系统模型建立方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、简化活塞机的物理模型，绘制活塞机的三维几何模型，并进行网格划分；

步骤2、设定区域边界条件；

步骤3、设置活塞机进气槽和排气槽围绕弧面内接圆中心旋转，进气槽和排气槽底部先后经过气缸顶部，另外编写UDF控制气缸底部做往复运动来模拟活塞运动，往复周期和进排气槽旋转周期保持一致；

步骤4、选择压力速度耦合基下的k-omega-SST湍流模型进行仿真求解，设置压力入口压强和温度、压力出口压强和温度以及气缸内部初始压强和温度，监测活塞机气缸内部体积V和缸内压强P随时间T的变化，分别得到P-T图和V-T图；将两者组合，绘制活塞机的P-V示功图；

步骤5、固定压力出口压强为2MPa，压力入口压强从3MPa起，以每次增加1MPa的速度逐渐递增；返回步骤4，对不同工况下的活塞机做功过程进行仿真；将不同工况下P-V图中峰值压强超过压力入口压强的百分比作为过膨胀程度，过膨胀程度达到3％时作为膨胀临界，求过膨胀临界发生时的进气压强和排气压强之比；

步骤6、进排气压强比小于等于过膨胀临界进排气压强比的是过膨胀工况，否则是正常工况，分别选取20组过膨胀工况和20组正常工况，返回步骤4，求出对应的P-V图的面积，以工况中的进气压强和排气压强为自变量，面积数值为应变量，用一维多项式对过膨胀工况和正常工况分别进行拟合，得到的拟合公式即为指示功一维求解模型；

步骤7、将活塞机指示功一维求解模型乘上系数C_e得到活塞机输出转矩方程，根据活塞机输出转矩方程求解动力系统特性方程，转速代入完全气体状态方程得到燃烧室特性方程，三个方程组合即为水下活塞机动力系统模型。

2.根据权利要求1所述水下活塞机动力系统模型建立方法，其特征在于，步骤1所述活塞机三维几何模型简化方法为：仅保留进气槽、排气槽、气缸三个部件，进气槽和排气槽简化成开口的柱状体，气缸简化为圆柱体，气缸顶部和进气槽和排气槽底部重合。

3.根据权利要求2所述水下活塞机动力系统模型建立方法，其特征在于，步骤2中所述边界条件为：设定进气槽顶部为压力入口，排气槽顶部为压力出口，进气槽底部、排气槽底部、气缸顶部为交界面，其余表面均设定为壁面。

4.根据权利要求1所述水下活塞机动力系统模型建立方法，其特征在于，步骤3中所述编写UDF控制气缸底部做往复运动来模拟活塞运动中，往复运动的位移方程为

其中S为活塞冲程，i为活塞机每转一周各气缸的工作循环数，ω为活塞机转速。

5.根据权利要求1所述水下活塞机动力系统模型建立方法，其特征在于，步骤6中所述用一维多项式对过膨胀工况和正常工况分别进行拟合，具体过程为：将两组指示功数值与对应的进气口压强和排气口压强分别导入到MATLAB中，使用cftool工具进行拟合；拟合公式为w＝x₁P_c+x₂P_e+x₃；其中P_c为进气口压强，P_e为排气口压强，w为指示功。

6.根据权利要求1所述水下活塞机动力系统模型建立方法，其特征在于，步骤7中所述将活塞机指示功一维求解模型乘上系数C_e得到活塞机输出转矩方程，表达式为：

M_e＝C_ew；

其中

i为活塞机每转一周各个气缸的工作循环数，z为活塞机气缸数目，v为活塞机气缸容积，η为活塞机械效率。

7.根据权利要求1所述水下活塞机动力系统模型建立方法，其特征在于，步骤7中所述动力系统特性方程具体方程为：

其中M_e为活塞机输出转矩，I为活塞机转动惯量，a_n1、a_n2、a_n3由活塞机动力系统内的辅机的功率决定。

8.根据权利要求1所述水下活塞机动力系统模型建立方法，其特征在于，步骤7中所述燃烧室特性方程表达式为：

其中R为完全气体常数，R为完全气体常数，T为气缸温度，C_em为活塞机工质秒消耗量正值组合因数。

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