FLUENT在發(fā)動機工作過程數(shù)值模擬中的應(yīng)用

曹永娣，杜明俠，李 輝，柏春良

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

FLUENT在發(fā)動機工作過程數(shù)值模擬中的應(yīng)用

曹永娣，杜明俠，李 輝，柏春良

(華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450011)

利用CFD技術(shù)可求解流體的流動、傳熱、燃燒、多相流及化學(xué)反應(yīng)等控制方程，且信息量大、費用低、周期短、效率高.FLUENT是應(yīng)用面最廣、影響最大的CFD軟件.將FLUENT用于發(fā)動機工作過程數(shù)值模擬中，闡述其處理過程和求解步驟，為研究發(fā)動機工作過程的研究提供了一種方法.

發(fā)動機;數(shù)值模擬;FLUENT

發(fā)動機性能的好壞是決定汽車行駛性能的最主要因素.影響發(fā)動機性能的因素包括發(fā)動機的全部工作過程:進(jìn)氣、壓縮、燃燒、膨脹以及排氣.實驗臺架和經(jīng)驗是傳統(tǒng)的設(shè)計方法，其設(shè)計費用高、效率低、耗時長，難以滿足市場需求［1］.CFD技術(shù)是借助計算機通過求解流體流動、傳熱、燃燒、化學(xué)反應(yīng)及多相流等的守恒控制偏微分方程組，來進(jìn)行數(shù)值預(yù)測.與實驗相比較，運用CFD技術(shù)模擬發(fā)動機的工作過程，得到的信息量大，而且費用低、周期短、效率高，能夠反應(yīng)各運轉(zhuǎn)參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)動機性能的影響程度.與傳統(tǒng)方法相比，CFD技術(shù)是一種更簡潔、更高效的研究發(fā)動機工作過程的重要方法.FLUENT是應(yīng)用面最廣、影響最大的CFD軟件，可實現(xiàn)流場、噴霧、燃燒及排放的計算，對發(fā)動機進(jìn)排氣道內(nèi)的氣流運動、氣缸內(nèi)的噴霧燃燒等進(jìn)行系統(tǒng)的分析.筆者主要介紹了FLUENT在發(fā)動機工作過程數(shù)值模擬分析的具體實現(xiàn)過程，為發(fā)動機工作過程分析提供了一種方法.

1 處理過程

FLUENT軟件包含3個基本環(huán)節(jié):前處理、求解和后處理，在發(fā)動機內(nèi)流動數(shù)值模擬過程中，與之對應(yīng)的模塊為前處理器、求解器和后處理器.

1.1 前處理

前處理器主要用于完成前處理工作，F(xiàn)LUENT中自帶的前處理器是Gambit.Gambit軟件包含幾何建模功能和功能強大的網(wǎng)格劃分工具，可劃分出包含邊界層等有特殊要求的高質(zhì)量的網(wǎng)格.

1.1.1 構(gòu)造幾何模型

在模擬發(fā)動機工作前，用Gambit建立氣缸以及進(jìn)排氣道等的三維幾何模型，對形狀復(fù)雜、不能簡化處理的發(fā)動機模擬也可以通過Pro/E，SolidWorks，CTIA，ANSYS等軟件造型，將這些模型保存成Gambit可接收的格式并導(dǎo)入到Gambit中，這樣就生成了幾何模型.發(fā)動機的噴嘴、進(jìn)排氣道以及燃燒室等結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，可通過其他軟件造型后導(dǎo)入Gambit.

1.1.2 網(wǎng)格劃分

生成幾何模型后，要進(jìn)行網(wǎng)格劃分.解決三維問題時，Gambit常用的網(wǎng)格單元有:Hex，Hex/Wedge和Tet/Hybrid;常用的網(wǎng)格類型有:結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格.如圖1所示，由于發(fā)動機局部模型復(fù)雜，如氣門部位往往直接采用混合網(wǎng)格TGrid，易于劃分成功，提高模擬精度.

1.1.3 指定邊界類型和區(qū)域類型

Gambit中需先選定求解器，然后指定各區(qū)域和邊界的類型.發(fā)動機進(jìn)排氣和燃燒的模擬，涉及到多個區(qū)域，有混合氣運動的流體區(qū)域，還有氣門以及活塞、各管道壁面等的固體區(qū)域，在模擬前必須指定區(qū)域類型和邊界類型，將各區(qū)域區(qū)分開來.如圖2所示，將進(jìn)氣歧管中氫氣－空氣混合氣的入口面定義類型為VELOCITY_INLET.

完成上述3個步驟即完成了發(fā)動機幾何模型的網(wǎng)格生成，將文件保存并導(dǎo)出FLUENT可以接收的.mesh格式的文件.

1.2 求解過程

打開FLUENT界面，將上面的.mesh文件導(dǎo)入到FLUENT中，開始發(fā)動機模擬的核心過程——求解.求解器的核心是數(shù)值求解方案，包含有限差分法、有限體積法和有限元法等.上述各方法的流動變量近似方法和對應(yīng)的離散化過程不同，F(xiàn)LUENT軟件采用的是有限體積法.求解發(fā)動機的流動、傳熱、瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)等問題，其過程可按以下步驟進(jìn)行.

1.2.1 建立控制方程

求解任何問題前要建立控制方程，發(fā)動機工作過程涉及燃料的混合、燃燒和燃燒后各組分的濃度分析，實際中內(nèi)燃機內(nèi)流動包含層流和湍流等流動狀態(tài)，因此其控制方程包含質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程外還應(yīng)包含狀態(tài)方程、組分質(zhì)量守恒方程、湍流的Reynolds時均方程以及湍流模型方程(如圖3所示)等.

圖3 湍流模型選取

盡管上述諸多方程有不同的因變量，但它們均反映了單位時間內(nèi)單位體積物理量的守恒，因此可用以下通用形式來表達(dá)，

式中各項分別為瞬態(tài)項、對流項、擴(kuò)散項和源項.

1.2.2 確定初始條件和邊界條件

初始條件和邊界條件合稱為定解條件，只有當(dāng)它們確定后，流場才有唯一的確定解.

確定邊界條件是FLUENT分析問題中至關(guān)重要的一部分，對所有問題都要指定邊界條件.發(fā)動機工作過程模擬的流動邊界條件較簡單，而與燃燒相關(guān)的傳熱邊界條件較復(fù)雜，其常用的邊界條件有:流動進(jìn)、出口邊界，給定壓力邊界，對稱邊界，壁面邊界和周期邊界等［4］.初始條件相對簡單，穩(wěn)態(tài)問題不需給定初始條件，而瞬態(tài)問題，必須給定各計算點的變量初值.

1.2.3 劃分計算網(wǎng)格

前處理的網(wǎng)格劃分中已有簡單介紹.發(fā)動機工作過程中，不同曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的氣門和缸內(nèi)活塞的運動位置不同，要想求得不同時間下流場的物性參數(shù)，就要先得到不同曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點坐標(biāo)，然后生成氣門和活塞運動時的動態(tài)網(wǎng)格.動態(tài)網(wǎng)格的劃分質(zhì)量是影響計算精度和效率的關(guān)鍵因素之一，F(xiàn)LUENT軟件中的動網(wǎng)格變形方法有3種:彈簧壓縮式(Smoothing)，動態(tài)鋪層式(Layering)和局部網(wǎng)格重構(gòu)式(Remeshing)［5］.如圖 4 所示，在解決發(fā)動機氣門和活塞運動問題時，一般采用3種網(wǎng)格變形方法的組合.

圖4 活塞動網(wǎng)格變形方法設(shè)置

1.2.4 控制方程的求解

用數(shù)值方法求解控制方程前要建立離散化方程.FLUENT使用的離散化方程的方法是有限體積法，施加離散化的邊界條件和初始條件后再給定求解控制參數(shù)就可以進(jìn)行離散方程的求解了.

內(nèi)燃機缸內(nèi)流場計算的方法主要有2種:一種是Hirt C W等提出的任意拉格朗日－歐拉法(ALE)，另一種是解壓力耦合方程的半隱式(SIMPLE)及其改進(jìn)型［3］.FLUENT提供了分離解法和耦合解法，2種方法的求解方程一致，但求解過程和方法不同.

數(shù)值計算結(jié)果一般要經(jīng)過多次迭代，迭代過程中要監(jiān)視解的收斂性，達(dá)到設(shè)定精度后即結(jié)束迭代過程.

1.3 后處理

求得各計算節(jié)點的值后，需要將整個計算區(qū)域上模擬的速度場、溫度場、濃度場等的分布情況用形象的圖形或表格表示出來，以便分析發(fā)動機工作過程的影響因素.在FLUENT基礎(chǔ)上，可采用線值圖、矢量圖、等值線圖、流線圖和云圖等方式表示上述結(jié)果［6］.

2 結(jié)語

論述了FLUENT在發(fā)動機工作過程數(shù)值模擬中的應(yīng)用，分別介紹了前處理器Gambit的建模及網(wǎng)格生成功能，求解器的計算求解和分析過程以及后處理功能，可為相關(guān)研究參考.

［1］李向榮，付經(jīng)倫，馬維忍.內(nèi)燃機內(nèi)流動的研究［J］.車用發(fā)動機，2003(1):1－5.

［2］王錫斌，蔣德明，董學(xué)堯.內(nèi)燃機工作過程數(shù)字模擬中的 CFD［J］.拖拉機與農(nóng)用運輸車，2002(4):32 －34.

［3］沈建平.內(nèi)燃機缸內(nèi)流場數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.車用發(fā)動機，1997(1):7 －13.

［4］周俊杰，徐國權(quán)，張華俊.FLUENT工程技術(shù)與實例分析［M］.北京:中國水利水電出版，2010.

［5］江帆，黃鵬.FLUENT高級應(yīng)用與實例分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［6］何志霞，王謙，袁建平.數(shù)值熱物理過程［M］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)出版社，2009.

Application of FLUENT in Numerical Simulation of the Engine Working Process

CAO Yong-di，DU Ming-xia，LI Hui，BAI Chun-liang
(North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

CFD technology can solve the governing equations of the fluid including flow，heat transfer，combustion，multiphase flow and chemical reactions，and it features a large amount of information，low cost，short period and high efficiency.However，F(xiàn)LUENT is a kind of CFD software with the most widely application and the greatest influence.Thus，this paper mainly introduces the application of software FLUENT in numerical simulation of the engine working process and describes particularly the specific operation steps.Based on the profound study，the paper proposes a method to simulate the engine working process.

engine;numerical simulation;FLUENT

1002－5634(2012)02－0108－03

2012－01－27

曹永娣(1985—)，女，河北衡水人，碩士研究生，主要從事發(fā)動機燃燒及模擬方面的研究.

(責(zé)任編輯:杜明俠)