国内内燃机数字化仿真技术应用现状

A b s tra c t: D igital simulation technique has been broadly app lied at home to the ICE research, design and development
with its continuous enrichment and speedy p rogress, and many meaningful achievements have been acquired. This paper summarizes the utilization actualities of combustion p rocess simulation, FEM analysis and virtual p rototype technique in the field of ICE digital simulation.
Ke ywo rd s: ICE, CFD , FEM analysis, V irtual p rototype
随着计算机硬件的飞速发展和数值计算技术的不断进 步 ,在计算机辅助设计 (CAD )技术的不断发展和应用的前提 下 ,数字化仿真技术的应用不断向纵深发展 ,其地位与作用 也变得十分重要 。数字仿真技术已经开始广泛应用于内燃 机研究 、设计和开发的诸多领域 。国内各大企业及科研单位 在利用现有技术方面 ,取得了许多富有意义的成果 。目前对 内燃机进行数字化仿真的关键技术有 :燃烧过程数值模拟技 术 、有限元分析技术和虚拟样机技术 。
App lica tio n Ac tua litie s o f IC E D ig ita l S im u la tio n Te chn ique a t Hom e
S h i Chun tao, W ang Tao, S un L ix ing ( Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute, Tianjin University, Tianjin 300072, China)
文献 [ 22 ]利用有限元软件 I- DEAS M aster对柴油机连 杆强度进行多体接触模型的三维分析 ,着重研究了连杆大头 孔与曲柄销之间的接触状态以及接触方式对大头孔变形的 影响 。文献 [ 23 ]利用专用的网格划分软件 Hypermesh模型 划分网格 ,对几何形状突变部位进行了网格细化 ,再把网格 模型输入到 ANSYS中 ,应用有限元分析技术对连杆进行了 三维非线性分析 ,分析涉及接触和疲劳问题 。
曲轴主要承受交变的弯曲 -扭转载荷和一定的冲击载 荷 ,轴颈表面还受到磨损 ,因此要求其有较高的强度 、刚度及 良好的动态特性 。由于作用在曲轴轴颈表面的载荷分布和 轴承油膜压力等诸多因数的影响 ,建立合理的边界条件一直 是曲轴分析的重点之一 。为了获得曲轴动态特性对应力的 影响 ,国外已经开展了曲轴动态应力的计算 ,并开发了相应 的 商 业 软 件 (如 AVL 的 EXC ITE 和 R ICARDO 公 司 的 ENGDYN ) [19 ] 。文献 [ 20～21 ]分别采用 I- DEAS软件构造曲 轴轴系和气缸体的实体模型 ,利用 ANSYS软件建立有限元 模型 ,进行动态特性分析 。
1 燃烧过程数值模拟技术
内燃机的燃烧过程由进气 、压缩 、燃烧 、膨胀和排气等多 个过程组成 ,是一个包含流体流动 、传热 、传质和化学反应以 及它们之间相互作用的复杂的物理和化学过程 。燃烧过程 满足的基本定律有 :质量守恒 、动量守恒和能量守恒 、组分转 换和平衡定律等 。控制方程具有数目多 ,强烈的相互耦合性 和非线性的特点 。燃烧过程数值模拟的主要工作内容包括 : 控制方程的离散化和求解 、湍流流动 、火焰辐射 、多相流动的 模型建立 。对控制方程进行离散化的基本方法有有限差分 法 ( FDM )和有限容积法 ( FVM ) [1 ] 。
内燃机工作时 ,气缸体在燃烧气体压力 、活塞裙部和气 缸套间油膜压力及摩擦力 、气缸盖和气缸体联结处螺栓的作 用力的共同作用下产生复杂的振动 。文献 [ 24 ～26 ]应用 Pro / E建立了气缸体的三维实体模型 ,用 ANSYS软件对气缸 体结构进行了约束状态的模态分析 ,揭示了不同频率范围气 缸体结构振动模态的特点 ,对在各主轴承力同时作用下气缸 体各部分的结构动力响应进行了分析 ,在考虑了气缸套所受 的气缸套 -活塞间的润滑油膜力 、曲轴主轴承处所受的油膜 动压作用 ,燃烧室内气体压力的作用以及气缸盖对气缸体的 作用力的情况下 ,进行了气缸体的瞬态动力分析 。
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拖拉机与农用运输车 第 6期 2005年 12月
HCC I均质充量压燃内然机采用多点着火及分布式快速 低温燃烧技术 ,因而具有高热效率 、超低 NOx 和 PM 排放的 优点 ,近年来已成为全世界范围的研究热点 。一般认为 ,汽 油机燃烧受火焰传播速率的控制 ,柴油机燃烧受可燃混合气 生成速率的影响 ,而 HCC I燃烧则受气相化学反应速率的控 制 。目前对于燃烧动力学模拟还比较简单 。美国 SAND IA 国家试验室的燃烧研究室开发的大型气相化学和等离子体 动力学的化学反应动力学软件包 CHEM KIN - III软件 ,是内 然机燃烧的零维单区模型 ,主要处理和计算燃烧问题中涉及 到的化学动力学问题 。因此 , CHEM KIN 很适合 HCC I燃烧的 计算模拟 ,特别是能有效地预测燃料的着火时刻 。文献 [ 12 ] 采用化学反应动力学与多维 CFD 耦合的方法 ,在 CHEM KIN 平台上对高辛烷值汽油内然机进行了变参数的数值模拟研 究 ,能够较好地预测进气 —喷雾 —燃烧 —排放的内然机全过 程 ,文献 [ 13～15 ]利用 CHEM KIN 平台分别进行了 DM E (代 用燃料二甲醚 )和正庚烷均质压燃燃烧反应的化学动力学过 程数值模拟研究 。
修正的非线性三方程模型明显优于各种 k-ε模型 。 文献 [ 3 ]采用 Poisson 网格生 成 程 序 对 二 冲 程 内 燃 机
K100的扫排气道 -气缸内系统进行了三维瞬态数值模拟 。 文献 [ 4 ] 采用 KIVA 软件 ,对内然机分层进气的三维瞬态过 程进行数值计算 。计算域取为扫气道 、气缸和排气道 ,利用 CAD软件进行造型 ,并生成六面体网格 。
内燃机的气体流动是复杂的三维非稳态湍流运动 , 对 其进行数值模拟是燃烧过程数字仿真最为重要的内容之一 。 目前用于流动分析的软件主要有两类 :计算流体力学 ( CFD ) 商用软件 (如 FLUENT, STAR - CD ) 和内燃机专用软件 (如 KIVA , F IRE) 。
目前描述湍流流动的方法是构造湍流模型 ,文献 [ 2 ]将 几种湍流涡粘度模型用于计算内燃机气缸内的湍流流动 ,结 果表明 , RNG- k-ε模型的计算结果较 k-ε模型有所改进 ,而
摘要 :随着数字化仿真技术的不断丰富和快速发展 ,数字化仿真技术广泛应用于国内内燃机研究设计开发的诸 多领域 ,并且取得了许多富有意义的成果 。本文对使用燃烧过程数值模拟技术 、有限元分析技术和虚拟样机技术进 行内燃机数字化仿真的现状进行了综述 。
关键词 :内燃机 C FD 有限元分析 虚拟样机
2 有限元分析技术
从 20世纪中期以来 ,为了达到使内燃机减振 、降噪 、质 量轻 、高效率等目的 ,国内外有关研究人员在内燃机动力学 分析与研究方面已经作了大量的工作 。有限元分析 ( FEM ) 已成为对内燃机的主要零部件进行动力学分析不可缺少的 有力工具 。它的基本思想是将连续的求解区域离散为一组 有限个 、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体 ,利 用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域 上待求的未知函数 。单元内的近似函数通常由未知场函数 或及其导 数 在 单 元 的 各 个 结 点 的 数 值 和 其 插 值 函 数 来 表 示 [18 ] 。从而将原来描述连续体场变量 (应力 、位移 、压力和 温度等 )的微分方程组转变为关于各个结点上的场函数及其 导数的代数方程组 。通过数值求解 ,求出整个求解域上的近 似解 。求解的近似程度取决于所采用的单元类型 、数量以及 对单元的插值函数 。如果模型合理 ,能得到比较满意的结 果 。然而由于对较复杂结构的物理参数往往并不十分清楚 , 有些因素更难以确定 ,例如系统的阻尼 、部件的连接刚度 、边 界条件等 。因此 ,建立一个符合实际的力学模型是很困难 的 ,计算只能得到比较近似的结果 ,有时误差很大 ,尤其是有 限元初始建模时 ,需要通过试验分析进行校正和修改 [18 ] 。
汽油缸内喷射 ( GD I)技术是现代汽油机的前沿技术 ,文 献 [ 5 ]利用 AVL公司的 CFD 软件 ( F IRE)对汽油缸内喷射的 静态喷雾特性进行了数值模拟 ,研究了燃烧室压力 、初始液 滴直径和喷雾锥角对喷雾特性的影响 。
柴油机进气过程中进入气缸的空气量和气体的速度分 布及其湍流状况等明显影响着燃烧过程 。文献 [ 6～8 ] 分别 利用 STAR- CD和 F IRE对进气道和气缸内空气运动进行了 数值模拟 ,通过分析流场内流速 、温度 、压力的变化指导进气 道设计 ,优化柴油机性能 。柴油机喷雾是一个喷油压力发生 变化的瞬态不稳定气液两相流动过程 。文献 [ 9 ] 利用 Engine CFD - II软件包 ,对涡流室式柴油机内的喷雾过程进行了三 维数值模拟 。采用随机质点方法建立喷雾动态方程 ,考虑燃 油的蒸发 、碰撞 (聚合 ) 、振荡与破碎 、碰壁 (包括反弹 、粘附 及飞溅 )等过程 ,较真实地模拟燃油与空气混合的全过程 。 随着柴油机喷射压力的提高 ,不可避免地出现喷雾碰壁 ,从 而引起较高的未燃 HC 和碳粒排放 。文献 [ 10 ] 利用三维 CFD软件模拟了喷雾撞壁形成油膜的气液两相流动 。文献 [ 11 ] 利用 STAR - CD 软件模拟研究了柴油机 HCC I复合燃 烧模式 (多脉冲喷射和 BUM P燃烧室 )下预混合气形成的时 间历程 ,湍流模拟采用 RNG- k -ε模型 ,喷雾过程分别选用 Huh雾化模型 , Reitz- D iwakar破碎模型 , Bai撞壁模型 。