题目
柴油机工作程数值模拟实验研究
摘
阐述中冷器类型结构中介绍高效换热器板翅式换热器结构原理东风柴CY4100ZLQ增压发动机估算出增压温度空气质量流量增压计算出增压空气中冷器处进口流量进口温度然根风扇产生冷空气流量环境温度中冷器出口温度计算出中冷器需散失热量确定中冷器传热系数时压力损失增压温度散热面积进行校核PROE软件绘制中冷器机器零件设计利商业CFD软件Fluent前处理器策略定义中冷器边界条件然导入Fluent软件设置边界条件模拟计算结果分析终确定中冷器优化方优化措施
关键词：实验柴油机冷器数值模拟设计
ABSTRACT
In the cold trap types structure high efficiency heat exchanger are introduced the structure principle of platefin heat exchangerOf dongfeng toward the wood CY4100ZLQ turbo engine temperature after estimate the pressurization air mass flow rate and pressure ratio calculated the pressurized air in the heart of the inlet flow and inlet temperatureThen according to the fan air flow generated by the environment temperature and intercooled outlet temperature and calculate the cold need dissipating heat to determine the cold machine heat transfer coefficient of booster to the pressure loss at the same time temperature heat dissipation area for checkingUsing Proe software to map the cold machine parts of the design using the commercial CFD software Fluent in front processor Gambit to define the intercooled meshing boundary conditions and then import the Fluent software to set boundary conditions simulation calculation and result analysis finally determine the intercooled optimization direction and optimization measures
Key words experimentDiesel engineCooler numerical simulationdesign
目录
诚信声明Ⅰ
摘 …………………………………………………………………………………Ⅱ
Abstract………………………………………………………………………………Ⅲ
第章 前言………………………………………………………………………1
11 研究背景……………………………………………………………………1
12研究目意义……………………………………………………………1
13研究现状……………………………………………………………………2
131工作程模拟研究…………………………………………………2
132燃机高原工作性研究现状……………………………………4
第二章 柴油机中冷器CFD模拟优化 …………………………………6
21 CFD技术翅式换热器设计开发方面优越性………………………6
22 翅式中冷器CFD设计…………………………………………………6
221中冷器建模………………………………………………………6
222网格划分……………………………………………………………8
23数值建模型建立…………………………………………………………9
1网格划分…………………………………………………………………9
2差分方程建立………………………………………………………11
3差分方程求解…………………………………………………………15
24结果分析……………………………………………………………………17
结…………………………………………………………………………………18
参考文献……………………………………………………………………………19
致谢…………………………………………………………………………………20
第章 前言
11研究背景
柴油机具功率覆盖广泛效率高耗低种民船舶占导位中型船舶动力装置国外2000年统计2000海船柴油机动力占90登陆舰艇中柴油机占568辅助舰艇中柴油机占629年着电子信息技术快速发展柴油机传统产业次焕发新活力
目前国已具备定规模低中高速柴油机生产制造力总说中国船发动机发电机引进外国知名品牌生产许证生产研究开发力较弱缺乏创新力引进技术消化创新力足型集装箱船直径功率柴油机制造技术突破柴油机关键零部件进口具知识产权产品缺乏市场竞争力
总说中国船发动机发电机引进外国知名品牌生产许证生产研究开发力较弱缺乏创新引进技术消化创新力足型集装箱船直径高功率柴油机制造技术突破关键部件柴油机根进口软具知识产权产品缺乏市场竞争力柴油机技术基础包括材料性机械加工热处理9烧理结构力学动力学传动技术控制方法仿真计算试验室工作等国企业没精力力深入研究基础技术
外研究发展模式传统测试测试设计模式解决问题周期长成高问题国际现代柴油机预测设计建立长期积累验证指导设计研发工作数库知识库样研发周期短成低德国MTU公司开发周期长达9年595系列2000年MTU8000模型预测设计研究开发缩短开发周期3年半提高效率
12研究目意义
柴油机作种动力装置热效率高适应性适应范围广已广泛应农业工业交通运输国防建设等领域国民济发展起着重作满足行业求燃机性改善符合越越严格种
排放法规柴油机动力性性寿命质量害气体排放燃油济性提出更高求
改善种性设计中柴油机工作程进行模拟性优化显尤重着类科技断进步生活水断提高身处环境越越关注汽车尾气排放噪音等环境污染引起关注年世界范围提出越越严格环保求先制定系列越越严格排放法规规定NO粒子排放目标国排放法规相起步较晚2000年实行EurI标准年国柴油机排放技术发展快特采引进技术生产柴油机产品中采增压中冷EGR高压喷射等机净化措施催化转化器等机外净化手段排放效控制现行ELlro11排放标准2010年实施Eurom标准排放标准进步提高柴油机工作程涉气体流动涡轮增压喷油燃烧传热传质化学反应动力学等种物理程采实验测试方法费高周期长困难20世纪60年着快速容量电子计算机发展数处理系统柴油机研究中应柴油机工作程模拟技术长足发展柴油机工作程模拟成
通柴油机工作程数值模拟设计员够柴油机设计程中综合考虑气流运动燃烧室形状喷雾燃烧等诸素优匹配预测分析优化发动机性降低害排放物解决柴油机设计方案证优化性预测诊断样机研究改进等技术问题柴油机工作程进行计算机数值模拟指导柴油机设计仅降低研究费节省力物力缩短开发周期加速数处理柴油机类型结构参数性参数达优化必柴油机设计方法理研究带入新阶段
13 研究现状
七零年代容量高速度计算机数处理系统柴油机工作程模拟中应实验技术改进测量仪器测试设备柴油机实验理研究更发展仿真优化设计已取进步目前柴油机工作程研究方法实验方法数值模拟计算方法
131 工作程模拟研究
实验方法相关测试技术模型实验研究中理研究前提基础燃机研究起定推动作柴油机性参数测定实验方法非常繁杂工作研究开发费高试验周期较长改进实验技术测量设备时
着高速容量计算机出现迅速发展建立工作机制柴油机适合模型计算结果更预测柴油机性短时间进行广泛研究变量参数开发新引擎改善旧发动机性降低成缩短测试时间节省量力物力柴油机工作程数值模拟计算说历单纯放热计算开始零维准维准维维模型研究发展程含干修正系数验半验常微分方程代数方程描述发动机缸燃烧程辅热力学基方程理想气体状态方程初始条件模拟发动机燃烧程nitially开始简单纯热量计算根测量气缸压力示功图估计实际柴油机放热规律出现零维模型ni假设燃烧室物理量(压力温度等效空气燃料)均匀分布空间工作介质瞬间达热衡符合理想气体状态方程假设条件计算出燃机缸温度气体压力燃烧热释放率等性参数零维模型通热力学热释放率验公式预测发动机性排放量预测尤氮氧化物形成零维模型够预测氮氧化物生成必须知道温度压力燃烧室空气燃料模拟燃烧室喷火焰分区域计算温度压力浓度区研发燃烧室作整体模拟燃烧室区域燃烧模型进步发展燃烧室划分区域称准维区燃烧模型区间参数某种程度反映缸参数空间变化柴油机燃烧燃料空气混合控制喷雾燃料空气混合物决定发动机燃烧室温度化工产品准维燃烧模型基础分喷雾燃烧程夹杂空气燃烧等相应模型描述发动机燃烧程
常微分方程零维准维模型具简单优点计算时间短许素程中通验半验公式计算处理性预测相意外污染物形成素压力温度质性假设利理解缸具体程工作程优化
1980年代着计算机发展性计算流体动力学发展更复杂维模型中包括柴油发动机汽缸描述传热传质动量传递化学动力学偏微分方程维模型试图完全描述燃机工作程理更接理计算实际工作程中包括已知素更复杂湍流质柴油机燃烧程中细节理解排放形成机制尚完善尤计算机计算速度进维度模型柴油机工作程进行模拟计算掌握柴油机整体性柴油机数值模拟非常必文采维模型模拟计算维模型整系统视维路系统柴油引擎系统参数r(阴)曲柄角时间变化维坐标x
132 柴油机高原工作性研究现状
柴油机高原特性试验仅高度场条件实验通固定高度模拟舱气条件封闭测试现场试验般燃发动机研究象原高原着高度性测试权力柴油机气条件燃料消耗性指标等产生性指标符合实际情况现场试验需花费量力物力时间常常局限理然条件难建立符合求测试物理参数试验条件偏差性较模拟舱部分克服困难模拟高原环境需花量资金力物质资源然气模拟试验台非常昂贵理青藏高原目前国外许科研单位规格印章作柴油机舱室气模拟试验台现国外BWM动力系统设计部研制海拔高度气候全天候全封闭气模拟试验台例说明气模拟试验台BWM海拔高度气候模拟试验台BWM动力系统设计部研制两台海拔高度气候试验台较宽范围环境参数气压空气湿度环境温度进行试验表11试验台模拟环境条件安装两试验机2层建筑底层控制享间两试验布局图1示两试验机位监控中心控制室通持续监控摄头机器测试通传输通道进入前厅密封试验台发送辅助设备气候模拟设备包括试验台工作电源设备环境模拟设备(压力温度湿度)开关控制调整装置位顶层
表11 BwM海拔高度气候模拟试验台工作特性参数
全面完整试验台模拟条件高度控制精度动化精度高实验室昂贵测试成适合国国情
田间试验精度高花费难操作高原特征模拟实验弥补部分田间试验缺点然需更问题模拟计算方法研究柴油机高原性更方便快捷低成优势快速效应气条件模拟意高度文工作建立机车柴油机机维模型缸柴油机性分析研究工作柴油机高原恶劣环境正常工作
第二章 柴油机中冷器CFD模拟优化
增压中冷系统柴油机动力性济性环保具重贡献车柴油机普遍应国家汽车柴油机增压中冷技术发展起步较晚设备设计没形成套完整理冷性评价方法没形成统标准寒冷产品开发程中常常需进行量匹配实验整机器导致开发周期成增加满足增压中冷应程序需求现国际流行设计研究方法利计算机模拟设计首先然实验验证极缩短产品开发设计周期降低开发成文设计研究台涡轮增压中冷柴油机般商业CFD(计算流体力学计算流体动力学CFD)软件流畅虚拟设计开发
21 CFD 技术翅式换热器设计开发方面优越性
车中冷器种条件约束翅式板翅式两种类型相言翅式中冷器目前应越越广泛翅片换热器种高效紧凑式换热器加工技术发展扩应范围广泛应空气分离石油化工天然气液化合成氨工业船舶车辆等突出优点结构紧凑容易流安排温差热温度降传统式换热器设计通常简单理长期积累验实验分析确定换热器结构需量实验基金长周期产生结构形式保证解决方案需探索更效方便设计研究方法
传统设计流程图设计程传统式热交换器冷影响设计行否取决实验验证保证中冷器性稳定 进行量试验 筛选优化产品设计制造测试部门进行系统性循环涉链接产品开发周期长成高工程设计通常需进行方案选择优化
22 翅式中冷器 CFD设计
流利软件模拟计算中冷包括解流体流动传热涉计算般步骤：建模划分网格边界设定物理模型选择计算处理
221 中冷器建模
利Proe软件该中冷器进行建模工作然建成模型导入Gambit中GambitCFD商软件Fluent前处理软件作建立网格模型功非常强建立种样图形然网络设置边界条件生成网络文件流利软件计算换热器中冷器结构构成重影响前提适简化选坦克
建立合理数学模型中冷器建模分三部分进气道出气道芯体中芯体部分做简化：做出增压空气通道冷介质通道挖空冷气热气间做流换热进气道芯体出气道连整体助计算量减少计算精度保证导入Gambit中模型图51
中冷器模型（三视图）
中冷器模型（视图）
图51 Gambit建模图
222 网格划分
完成CFD软件建模工作建立限元分析基础建立模型进行网格划分
Gambit 中划分网格规定：二维模型划分三角形四边形单元四边形单元计算精度高三维模型划分四面体五面体六面体单元相言六面体单元计算精度高
冷设计计算三维六面体网格单元模型热压缩空气直接空气冷器进出口边界网格划分设置图52示网格单元取size5网格划分总1780881六面体单元模型进行处理改进模型图53示：
图32 网格划分设置
图33 网格划分图
23 数值模型建立
海区实际边界复杂性运动方程中含非线性项般采数值求解方法特定边界条件数值求解方程组(213)((215)方法计算采国外技术较成熟应广泛ADI法(隐显方交林法)进行求解
ADI法种限差分法限差分法适种类型微分方程数学概念明确简单灵活方便方便程序精密差分格式高低选择收敛性稳定性理成熟种常成功方法
限差分法种包括显式法隐式法隐式显式方法计算种具体直接影响模型精度显式法隐式法优缺点显式法直接求解节点未知量需联立求解离散代数方程组隐式限差分格式需求解代数方程组点显格式隐格式优越数值计算稳定性角度相较时间步显式请求初始值高求果初始误差非常导致计算程ADI方法种隐式显式方法显式隐式方法优势实际应中受欢迎次研究采ADI法微分方程进行离散
1网格划分
便航天中心差分公式利交错网格图(22)图32中网格交点编号记i (x方)j(y方)规定ij整数点时记水位点糙度系数C 号+表示
整数点x方速度u符号表示i整数j± 点时记y方流速v符号|表示
ij均± 点时记水深点符号o表示
图32计算网格
微分方程(213)(215)离散成差分方程时采运算符
△x△y△s空间步长△t时间步长ijn0均±±1单位i j点n时间层时函数F表示
2差分方程建立
计算采ADI法进行求解首先△t分两半步长三层格式运算
n△t(n+)△t半步长X方su进行隐式计算v进行显式计算
半时间步长(n+)△t（n+1)△tY方she v进行隐式计算u进行显式计算述求解方法特点X求解杏uy求解杏V均采隐式差分格式稳定性良次时间层某确定行求解su某列求解sV时均化三角型线性代数方程组追赶法求解
根述求方程组(213)((215)离散成差分方程组
n△t（n+)△t半步长运动方程(213)差分方程
式中改写成i+j点
方程216
理i J十点运动方程(214)差分方程
方程217
i」点连续性方程(215)差分方程
方程218
差分方程(216218)进步离散(218)
式整理：
方程219
中
方程(216)XU隐式差分方程
式整理
方程220
中
万程(217)XV显式差分方程
方程221
理半时间步长(n +)△t(n+1)△tY方V隐式差分方程
方程222
中
y方连续性方程差分方程
方程223
中
y方U显式差分方程
方程224
3差分方程求解
求解逐行(列)点某时间层sU值方程(19)(20)联立构成三角型代数方程组
225
式(225)中 uJ简写成Axf
进行LU分解ALU中
中Lu非零元极少分布规律种情况作矩阵Doolittle分解计算公式
Dicii12n1
U1b1
1ia1ui1i23n
Uibilici1i23n
计算次序Ul>12>U2>13>U3 >>lu>un原方程组Axf通述两具两条角线元素三角方程组实现
计算公式
Y1f1yifi1iyi1i23n
Xnynunxi(yicixi+1)uiin1n21 称该计算公式求解三角方程组追赶法追赶法容易工作方程(225)然指出工作价值V半步长完成半时间步长计算排名追赶法求解代数方程LV然逐点算出U值重复述计算程直计算结果达稳定止
34 结果分析
面中冷实现部静态压力速度温度分布云图1通静压轮廓
知道压力分布分层装置进气压力逐渐增加压力变化提出边说明高压热空气进入中冷器层通换热芯子时热空气压力降低热交换器芯整体流通截面积应流进气排气侧横截面积路径压缩空气流动程中较低压力(2)进气道逐渐缩中冷器端压力偏高该处应力偏高设计时应该重视
(3)该模型中拐角处直角实际应中应避免直角拐角存进出气道拐角处应设计成圆角气流缓渡避免拐角处应力
2 通速度云图：
(1)冷阱热空气流量边附高耐热进口侧热空气通热核心遇热心墙附流速均匀产生块冷阱设计避免做设法降低流速偏高
(2)热空气热交换器芯整体速度分布较均匀种设计利均匀传热热空气热空气传热速度分布核心略
结
作者分析发动机型号定东风柴CY4100ZLQ然根发动机参数高效换热目选择翅式中冷器作中冷设备定增压柴油机原始数换算出增压柴油机已知求指标时计算出柴油机热力参数次中冷器芯体进行详细计算应数均温差法校核散热面积效传热单元数法校核增压空气出口温度增压空气冷介质流动阻力损失进行校核根中冷器工作状况零部件封头隔板等做相应设计计算Proe 绘制出部分三维图装备成中冷器整体三维图然iges文件导入Fluent前置处理器Gambit该模型进行网格划分定义边界条件msh文件导入Fluent进行边界条件设定模拟计算文考虑冷阱电荷空气进出口边界条件冷空气流系数作固定冷仿真结果定误差然模拟结果进行分析结合设计中模拟结果现阶段中冷器新发展状况提出项优化措施
参考文献
[1]申伟二甲醚发动机发展现状展[J]节环保2007年09期
[2]陆艺红张煜盛含氧清洁燃料二甲醚燃烧特性数学模拟[J]柴油机设计制造2002年03期
[3]张光德黄震绿色源二甲醚发动机研究开发[J]柴油机2003年02期
[4]陆艺红张煜盛刘镇DME发动机着火燃烧程数值模拟研究[J]华中科技学学报(然科学版)2012年07期
[5]郎静周松张煜盛韩健柴油机燃二甲醚排放实验研究[J]华中科技学学报(然科学版)2016年09期
[6]尧命发郑尊清胡春明许斯高温环境二甲基醚(DME)喷雾特性实验研究[J]燃机学报2002年01期
[7]乔信起张光德黄震方俊华宋钧王岩柴油机燃二甲醚喷射燃烧试验研究[J]农业机械学报2014年01期
[8]徐正杨宗栋郑康元常健氢燃料发动机应[J]源研究信息2012年04期
[9]刘生全马志义王贺武边耀璋种汽油车二甲醚混合燃料开发研究[J]汽车工程2013年02期
[10]尧命发许斯郑尊清二甲基醚(DME)碰壁喷雾特性燃烧特性试验研究[J]燃烧科学技术2012年02期
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题目
柴油机工作程数值模拟实验研究
摘
阐述中冷器类型结构中介绍高效换热器板翅式换热器结构原理东风柴CY4100ZLQ增压发动机估算出增压温度空气质量流量增压计算出增压空气中冷器处进口流量进口温度然根风扇产生冷空气流量环境温度中冷器出口温度计算出中冷器需散失热量确定中冷器传热系数时压力损失增压温度散热面积进行校核PROE软件绘制中冷器机器零件设计利商业CFD软件Fluent前处理器策略定义中冷器边界条件然导入Fluent软件设置边界条件模拟计算结果分析终确定中冷器优化方优化措施
关键词：实验柴油机冷器数值模拟设计
ABSTRACT
In the cold trap types structure high efficiency heat exchanger are introduced the structure principle of platefin heat exchangerOf dongfeng toward the wood CY4100ZLQ turbo engine temperature after estimate the pressurization air mass flow rate and pressure ratio calculated the pressurized air in the heart of the inlet flow and inlet temperatureThen according to the fan air flow generated by the environment temperature and intercooled outlet temperature and calculate the cold need dissipating heat to determine the cold machine heat transfer coefficient of booster to the pressure loss at the same time temperature heat dissipation area for checkingUsing Proe software to map the cold machine parts of the design using the commercial CFD software Fluent in front processor Gambit to define the intercooled meshing boundary conditions and then import the Fluent software to set boundary conditions simulation calculation and result analysis finally determine the intercooled optimization direction and optimization measures
Key words experimentDiesel engineCooler numerical simulationdesign
目录
诚信声明Ⅰ
摘 …………………………………………………………………………………Ⅱ
Abstract………………………………………………………………………………Ⅲ
第章 前言………………………………………………………………………1
11 研究背景……………………………………………………………………1
12研究目意义……………………………………………………………1
13研究现状……………………………………………………………………2
131工作程模拟研究…………………………………………………2
132燃机高原工作性研究现状……………………………………4
第二章 柴油机中冷器CFD模拟优化 …………………………………6
21 CFD技术翅式换热器设计开发方面优越性………………………6
22 翅式中冷器CFD设计…………………………………………………6
221中冷器建模………………………………………………………6
222网格划分……………………………………………………………8
23数值建模型建立…………………………………………………………9
1网格划分…………………………………………………………………9
2差分方程建立………………………………………………………11
3差分方程求解…………………………………………………………15
24结果分析……………………………………………………………………17
结…………………………………………………………………………………18
参考文献……………………………………………………………………………19
致谢…………………………………………………………………………………20
第章 前言
11研究背景
柴油机具功率覆盖广泛效率高耗低种民船舶占导位中型船舶动力装置国外2000年统计2000海船柴油机动力占90登陆舰艇中柴油机占568辅助舰艇中柴油机占629年着电子信息技术快速发展柴油机传统产业次焕发新活力
目前国已具备定规模低中高速柴油机生产制造力总说中国船发动机发电机引进外国知名品牌生产许证生产研究开发力较弱缺乏创新力引进技术消化创新力足型集装箱船直径功率柴油机制造技术突破柴油机关键零部件进口具知识产权产品缺乏市场竞争力
总说中国船发动机发电机引进外国知名品牌生产许证生产研究开发力较弱缺乏创新引进技术消化创新力足型集装箱船直径高功率柴油机制造技术突破关键部件柴油机根进口软具知识产权产品缺乏市场竞争力柴油机技术基础包括材料性机械加工热处理9烧理结构力学动力学传动技术控制方法仿真计算试验室工作等国企业没精力力深入研究基础技术
外研究发展模式传统测试测试设计模式解决问题周期长成高问题国际现代柴油机预测设计建立长期积累验证指导设计研发工作数库知识库样研发周期短成低德国MTU公司开发周期长达9年595系列2000年MTU8000模型预测设计研究开发缩短开发周期3年半提高效率
12研究目意义
柴油机作种动力装置热效率高适应性适应范围广已广泛应农业工业交通运输国防建设等领域国民济发展起着重作满足行业求燃机性改善符合越越严格种
排放法规柴油机动力性性寿命质量害气体排放燃油济性提出更高求
改善种性设计中柴油机工作程进行模拟性优化显尤重着类科技断进步生活水断提高身处环境越越关注汽车尾气排放噪音等环境污染引起关注年世界范围提出越越严格环保求先制定系列越越严格排放法规规定NO粒子排放目标国排放法规相起步较晚2000年实行EurI标准年国柴油机排放技术发展快特采引进技术生产柴油机产品中采增压中冷EGR高压喷射等机净化措施催化转化器等机外净化手段排放效控制现行ELlro11排放标准2010年实施Eurom标准排放标准进步提高柴油机工作程涉气体流动涡轮增压喷油燃烧传热传质化学反应动力学等种物理程采实验测试方法费高周期长困难20世纪60年着快速容量电子计算机发展数处理系统柴油机研究中应柴油机工作程模拟技术长足发展柴油机工作程模拟成
通柴油机工作程数值模拟设计员够柴油机设计程中综合考虑气流运动燃烧室形状喷雾燃烧等诸素优匹配预测分析优化发动机性降低害排放物解决柴油机设计方案证优化性预测诊断样机研究改进等技术问题柴油机工作程进行计算机数值模拟指导柴油机设计仅降低研究费节省力物力缩短开发周期加速数处理柴油机类型结构参数性参数达优化必柴油机设计方法理研究带入新阶段
13 研究现状
七零年代容量高速度计算机数处理系统柴油机工作程模拟中应实验技术改进测量仪器测试设备柴油机实验理研究更发展仿真优化设计已取进步目前柴油机工作程研究方法实验方法数值模拟计算方法
131 工作程模拟研究
实验方法相关测试技术模型实验研究中理研究前提基础燃机研究起定推动作柴油机性参数测定实验方法非常繁杂工作研究开发费高试验周期较长改进实验技术测量设备时
着高速容量计算机出现迅速发展建立工作机制柴油机适合模型计算结果更预测柴油机性短时间进行广泛研究变量参数开发新引擎改善旧发动机性降低成缩短测试时间节省量力物力柴油机工作程数值模拟计算说历单纯放热计算开始零维准维准维维模型研究发展程含干修正系数验半验常微分方程代数方程描述发动机缸燃烧程辅热力学基方程理想气体状态方程初始条件模拟发动机燃烧程nitially开始简单纯热量计算根测量气缸压力示功图估计实际柴油机放热规律出现零维模型ni假设燃烧室物理量(压力温度等效空气燃料)均匀分布空间工作介质瞬间达热衡符合理想气体状态方程假设条件计算出燃机缸温度气体压力燃烧热释放率等性参数零维模型通热力学热释放率验公式预测发动机性排放量预测尤氮氧化物形成零维模型够预测氮氧化物生成必须知道温度压力燃烧室空气燃料模拟燃烧室喷火焰分区域计算温度压力浓度区研发燃烧室作整体模拟燃烧室区域燃烧模型进步发展燃烧室划分区域称准维区燃烧模型区间参数某种程度反映缸参数空间变化柴油机燃烧燃料空气混合控制喷雾燃料空气混合物决定发动机燃烧室温度化工产品准维燃烧模型基础分喷雾燃烧程夹杂空气燃烧等相应模型描述发动机燃烧程
常微分方程零维准维模型具简单优点计算时间短许素程中通验半验公式计算处理性预测相意外污染物形成素压力温度质性假设利理解缸具体程工作程优化
1980年代着计算机发展性计算流体动力学发展更复杂维模型中包括柴油发动机汽缸描述传热传质动量传递化学动力学偏微分方程维模型试图完全描述燃机工作程理更接理计算实际工作程中包括已知素更复杂湍流质柴油机燃烧程中细节理解排放形成机制尚完善尤计算机计算速度进维度模型柴油机工作程进行模拟计算掌握柴油机整体性柴油机数值模拟非常必文采维模型模拟计算维模型整系统视维路系统柴油引擎系统参数r(阴)曲柄角时间变化维坐标x
132 柴油机高原工作性研究现状
柴油机高原特性试验仅高度场条件实验通固定高度模拟舱气条件封闭测试现场试验般燃发动机研究象原高原着高度性测试权力柴油机气条件燃料消耗性指标等产生性指标符合实际情况现场试验需花费量力物力时间常常局限理然条件难建立符合求测试物理参数试验条件偏差性较模拟舱部分克服困难模拟高原环境需花量资金力物质资源然气模拟试验台非常昂贵理青藏高原目前国外许科研单位规格印章作柴油机舱室气模拟试验台现国外BWM动力系统设计部研制海拔高度气候全天候全封闭气模拟试验台例说明气模拟试验台BWM海拔高度气候模拟试验台BWM动力系统设计部研制两台海拔高度气候试验台较宽范围环境参数气压空气湿度环境温度进行试验表11试验台模拟环境条件安装两试验机2层建筑底层控制享间两试验布局图1示两试验机位监控中心控制室通持续监控摄头机器测试通传输通道进入前厅密封试验台发送辅助设备气候模拟设备包括试验台工作电源设备环境模拟设备(压力温度湿度)开关控制调整装置位顶层
表11 BwM海拔高度气候模拟试验台工作特性参数
全面完整试验台模拟条件高度控制精度动化精度高实验室昂贵测试成适合国国情
田间试验精度高花费难操作高原特征模拟实验弥补部分田间试验缺点然需更问题模拟计算方法研究柴油机高原性更方便快捷低成优势快速效应气条件模拟意高度文工作建立机车柴油机机维模型缸柴油机性分析研究工作柴油机高原恶劣环境正常工作
第二章 柴油机中冷器CFD模拟优化
增压中冷系统柴油机动力性济性环保具重贡献车柴油机普遍应国家汽车柴油机增压中冷技术发展起步较晚设备设计没形成套完整理冷性评价方法没形成统标准寒冷产品开发程中常常需进行量匹配实验整机器导致开发周期成增加满足增压中冷应程序需求现国际流行设计研究方法利计算机模拟设计首先然实验验证极缩短产品开发设计周期降低开发成文设计研究台涡轮增压中冷柴油机般商业CFD(计算流体力学计算流体动力学CFD)软件流畅虚拟设计开发
21 CFD 技术翅式换热器设计开发方面优越性
车中冷器种条件约束翅式板翅式两种类型相言翅式中冷器目前应越越广泛翅片换热器种高效紧凑式换热器加工技术发展扩应范围广泛应空气分离石油化工天然气液化合成氨工业船舶车辆等突出优点结构紧凑容易流安排温差热温度降传统式换热器设计通常简单理长期积累验实验分析确定换热器结构需量实验基金长周期产生结构形式保证解决方案需探索更效方便设计研究方法
传统设计流程图设计程传统式热交换器冷影响设计行否取决实验验证保证中冷器性稳定 进行量试验 筛选优化产品设计制造测试部门进行系统性循环涉链接产品开发周期长成高工程设计通常需进行方案选择优化
22 翅式中冷器 CFD设计
流利软件模拟计算中冷包括解流体流动传热涉计算般步骤：建模划分网格边界设定物理模型选择计算处理
221 中冷器建模
利Proe软件该中冷器进行建模工作然建成模型导入Gambit中GambitCFD商软件Fluent前处理软件作建立网格模型功非常强建立种样图形然网络设置边界条件生成网络文件流利软件计算换热器中冷器结构构成重影响前提适简化选坦克
建立合理数学模型中冷器建模分三部分进气道出气道芯体中芯体部分做简化：做出增压空气通道冷介质通道挖空冷气热气间做流换热进气道芯体出气道连整体助计算量减少计算精度保证导入Gambit中模型图51
中冷器模型（三视图）
中冷器模型（视图）
图51 Gambit建模图
222 网格划分
完成CFD软件建模工作建立限元分析基础建立模型进行网格划分
Gambit 中划分网格规定：二维模型划分三角形四边形单元四边形单元计算精度高三维模型划分四面体五面体六面体单元相言六面体单元计算精度高
冷设计计算三维六面体网格单元模型热压缩空气直接空气冷器进出口边界网格划分设置图52示网格单元取size5网格划分总1780881六面体单元模型进行处理改进模型图53示：
图32 网格划分设置
图33 网格划分图
23 数值模型建立
海区实际边界复杂性运动方程中含非线性项般采数值求解方法特定边界条件数值求解方程组(213)((215)方法计算采国外技术较成熟应广泛ADI法(隐显方交林法)进行求解
ADI法种限差分法限差分法适种类型微分方程数学概念明确简单灵活方便方便程序精密差分格式高低选择收敛性稳定性理成熟种常成功方法
限差分法种包括显式法隐式法隐式显式方法计算种具体直接影响模型精度显式法隐式法优缺点显式法直接求解节点未知量需联立求解离散代数方程组隐式限差分格式需求解代数方程组点显格式隐格式优越数值计算稳定性角度相较时间步显式请求初始值高求果初始误差非常导致计算程ADI方法种隐式显式方法显式隐式方法优势实际应中受欢迎次研究采ADI法微分方程进行离散
1网格划分
便航天中心差分公式利交错网格图(22)图32中网格交点编号记i (x方)j(y方)规定ij整数点时记水位点糙度系数C 号+表示
整数点x方速度u符号表示i整数j± 点时记y方流速v符号|表示
ij均± 点时记水深点符号o表示
图32计算网格
微分方程(213)(215)离散成差分方程时采运算符
△x△y△s空间步长△t时间步长ijn0均±±1单位i j点n时间层时函数F表示
2差分方程建立
计算采ADI法进行求解首先△t分两半步长三层格式运算
n△t(n+)△t半步长X方su进行隐式计算v进行显式计算
半时间步长(n+)△t（n+1)△tY方she v进行隐式计算u进行显式计算述求解方法特点X求解杏uy求解杏V均采隐式差分格式稳定性良次时间层某确定行求解su某列求解sV时均化三角型线性代数方程组追赶法求解
根述求方程组(213)((215)离散成差分方程组
n△t（n+)△t半步长运动方程(213)差分方程
式中改写成i+j点
方程216
理i J十点运动方程(214)差分方程
方程217
i」点连续性方程(215)差分方程
方程218
差分方程(216218)进步离散(218)
式整理：
方程219
中
方程(216)XU隐式差分方程
式整理
方程220
中
万程(217)XV显式差分方程
方程221
理半时间步长(n +)△t(n+1)△tY方V隐式差分方程
方程222
中
y方连续性方程差分方程
方程223
中
y方U显式差分方程
方程224
3差分方程求解
求解逐行(列)点某时间层sU值方程(19)(20)联立构成三角型代数方程组
225
式(225)中 uJ简写成Axf
进行LU分解ALU中
中Lu非零元极少分布规律种情况作矩阵Doolittle分解计算公式
Dicii12n1
U1b1
1ia1ui1i23n
Uibilici1i23n
计算次序Ul>12>U2>13>U3 >>lu>un原方程组Axf通述两具两条角线元素三角方程组实现
计算公式
Y1f1yifi1iyi1i23n
Xnynunxi(yicixi+1)uiin1n21 称该计算公式求解三角方程组追赶法追赶法容易工作方程(225)然指出工作价值V半步长完成半时间步长计算排名追赶法求解代数方程LV然逐点算出U值重复述计算程直计算结果达稳定止
34 结果分析
面中冷实现部静态压力速度温度分布云图1通静压轮廓
知道压力分布分层装置进气压力逐渐增加压力变化提出边说明高压热空气进入中冷器层通换热芯子时热空气压力降低热交换器芯整体流通截面积应流进气排气侧横截面积路径压缩空气流动程中较低压力(2)进气道逐渐缩中冷器端压力偏高该处应力偏高设计时应该重视
(3)该模型中拐角处直角实际应中应避免直角拐角存进出气道拐角处应设计成圆角气流缓渡避免拐角处应力
2 通速度云图：
(1)冷阱热空气流量边附高耐热进口侧热空气通热核心遇热心墙附流速均匀产生块冷阱设计避免做设法降低流速偏高
(2)热空气热交换器芯整体速度分布较均匀种设计利均匀传热热空气热空气传热速度分布核心略
结
作者分析发动机型号定东风柴CY4100ZLQ然根发动机参数高效换热目选择翅式中冷器作中冷设备定增压柴油机原始数换算出增压柴油机已知求指标时计算出柴油机热力参数次中冷器芯体进行详细计算应数均温差法校核散热面积效传热单元数法校核增压空气出口温度增压空气冷介质流动阻力损失进行校核根中冷器工作状况零部件封头隔板等做相应设计计算Proe 绘制出部分三维图装备成中冷器整体三维图然iges文件导入Fluent前置处理器Gambit该模型进行网格划分定义边界条件msh文件导入Fluent进行边界条件设定模拟计算文考虑冷阱电荷空气进出口边界条件冷空气流系数作固定冷仿真结果定误差然模拟结果进行分析结合设计中模拟结果现阶段中冷器新发展状况提出项优化措施
参考文献
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