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1、 柴油機(jī)工作過(guò)程數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究分析 車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè) 摘要 在闡述中冷器類(lèi)型、結(jié)構(gòu)中，介紹了高效換熱器、板翅式換熱器的結(jié)構(gòu)原理。對(duì)東風(fēng)朝柴CY4100ZLQ增壓發(fā)動(dòng)機(jī)估算出增壓后溫度、空氣質(zhì)量流量及增壓比，計(jì)算出了增壓空氣在中冷器處的進(jìn)口流量及進(jìn)口溫度。然后再根據(jù)風(fēng)扇所產(chǎn)生的冷空氣流量，環(huán)境溫度及中冷器出口溫度，計(jì)算出中冷器需要散失的熱量，再去確定中冷器的傳熱系數(shù)，同時(shí)對(duì)壓力損失、增壓溫度、散熱面積進(jìn)行校核。使用PROE軟件繪制中冷器的機(jī)器零件的設(shè)計(jì),利用商業(yè)CFD軟件Fluent在前處理器策略定義中冷器的邊界條件,然后導(dǎo)入Fluent的軟件設(shè)置邊界條件,模擬計(jì)算和結(jié)果分析,最終

2、確定中冷器的優(yōu)化方向和優(yōu)化措施 關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)；柴油機(jī)；冷器數(shù)值模擬；設(shè)計(jì) Ⅱ ABSTRACT In the cold trap types, structure, high efficiency heat exchanger are introduced, the structure principle of plate-fin heat exchanger.Of dongfeng toward the wood CY4100ZLQ turbo engine temperature after estim

3、ate the pressurization, air mass flow rate and pressure ratio, calculated the pressurized air in the heart of the inlet flow and inlet temperature.Then, according to the fan air flow generated by the environment temperature and inter-cooled outlet temperature and calculate the cold need dissipating

4、heat, to determine the cold machine, heat transfer coefficient of booster to the pressure loss at the same time, temperature, heat dissipation area for checking.Using Proe software to map the cold machine parts of the design, using the commercial CFD software Fluent in front processor Gambit to defi

5、ne the inter-cooled meshing, boundary conditions, and then import the Fluent software to set boundary conditions, simulation calculation and result analysis, finally determine the inter-cooled optimization direction and optimization measures. Key words: experiment;Diesel engine;Cooler numerical

6、 simulation;design Ⅲ 目錄 誠(chéng)信聲明.....................................................................................................................Ⅰ 摘要 …………………………………………………………………………………Ⅱ Abstract……………………………………………………………………………….Ⅲ 第一章 前言………………………………………………………………………1 1

7、.1 研究背景……………………………………………………………………..1 1.2研究目的及意義……………………………………………………………...1 1.3研究現(xiàn)狀……………………………………………………………………...2 1.3.1工作過(guò)程模擬的研究………………………………………………….2 1.3.2內(nèi)燃機(jī)高原工作性能的研究現(xiàn)狀…………………………………….4 第二章 柴油機(jī)中冷器的CFD模擬優(yōu)化 …………………………………6 2.1 CFD技術(shù)在管翅式換熱器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方面的優(yōu)越性………………………6 2.2 管翅式中冷器的CFD設(shè)計(jì)…………………………………

8、………………6 2.2.1中冷器的建模……………………………………………………….6 2.2.2網(wǎng)格劃分…………………………………………………………….8 2.3數(shù)值建模型的建立………………………………………………………….9 1.網(wǎng)格劃分…………………………………………………………………9 2.差分方程的建立………………………………………………………...11 3.差分方程求解…………………………………………………………...15 2.4結(jié)果分析……………………………………………………………………17 結(jié)論…………………

9、……………………………………………………………….18 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………19 致謝………………………………………………………………………………….20 Ⅳ 1 第一章 前言 1.1研究背景 柴油機(jī)具有功率覆蓋廣泛,效率高、能耗低,各種民用船舶和占主導(dǎo)地位的中小型船舶動(dòng)力裝置。國(guó)外2000年統(tǒng)計(jì)，大于2000大海船，柴油機(jī)動(dòng)力占90%以上:登陸艦艇中，柴油機(jī)占56.8%；輔助艦艇中，柴油機(jī)占62.9。近年來(lái)，隨著電子、信息技術(shù)的快速發(fā)展，使柴油機(jī)這個(gè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)再次煥發(fā)新的活力。 目前，我國(guó)已經(jīng)具備

10、了一定規(guī)模的低、中、高速柴油機(jī)的生產(chǎn)制造能力.但總的來(lái)說(shuō),中國(guó)的船用發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)主要依靠引進(jìn)外國(guó)知名品牌的生產(chǎn)許可證生產(chǎn)、研究和開(kāi)發(fā)能力較弱,缺乏自主創(chuàng)新能力,引進(jìn)技術(shù)消化和創(chuàng)新能力不足,大型集裝箱船大直徑,大功率柴油主機(jī)制造技術(shù)突破,一些柴油機(jī)的關(guān)鍵零部件還是主要依靠進(jìn)口,一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 但總的來(lái)說(shuō),中國(guó)的船用發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)主要依靠引進(jìn)外國(guó)知名品牌的生產(chǎn)許可證生產(chǎn)、研究和開(kāi)發(fā)能力較弱,缺乏自主創(chuàng)新,引進(jìn)技術(shù)消化和創(chuàng)新能力不足,大型集裝箱船大直徑、高功率柴油主機(jī)制造技術(shù)突破,一些關(guān)鍵部件仍主柴油機(jī)根據(jù)進(jìn)口軟,一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.柴油機(jī)的技術(shù)

11、基礎(chǔ)包括材料性能、機(jī)械加工和熱處理、9燒理論、結(jié)構(gòu)力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、傳動(dòng)技術(shù)、控制方法、仿真計(jì)算和大是的試驗(yàn)室工作等。而國(guó)內(nèi)企業(yè)往往沒(méi)有精力和能力去深入研究這些基礎(chǔ)技術(shù)。 另外,我們的研究和發(fā)展模式仍使用傳統(tǒng)的“主要由測(cè)試、測(cè)試設(shè)計(jì)模式來(lái)解決問(wèn)題,因此,周期長(zhǎng),成本高還是有很大的問(wèn)題，但是國(guó)際現(xiàn)代柴油機(jī)使用預(yù)測(cè)“設(shè)計(jì)”。建立了經(jīng)長(zhǎng)期積累并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證可指導(dǎo)設(shè)計(jì)研發(fā)工作的數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)，這樣使研發(fā)周期短、成本低。如德國(guó)MTU公司如何開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)達(dá)9年,595系列和2000年MTU8000如何使用模型預(yù)測(cè)“設(shè)計(jì)”的研究和開(kāi)發(fā),縮短開(kāi)發(fā)周期為3年半。大大提高了效率。 1.2研究目的及意義 柴油機(jī)作為一種

12、動(dòng)力裝置,由于其熱效率高、適應(yīng)性好,適應(yīng)范圍廣,已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通運(yùn)輸和國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域,為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的作用。為了滿(mǎn)足各行各業(yè)的要求內(nèi)燃機(jī)性能的改善,并符合越來(lái)越嚴(yán)格的各種 7 排放法規(guī)。因此，對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、可靠性、壽命、比質(zhì)量、有害氣體排放和燃油經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求。 為了改善各種性能，在設(shè)計(jì)中對(duì)柴油機(jī)的各個(gè)工作過(guò)程的進(jìn)行模擬和性能優(yōu)化就顯得尤為重要。隨著人類(lèi)科技的不斷進(jìn)步、生活水平的不斷提高和對(duì)自身所處的環(huán)境有了越來(lái)越多的關(guān)注，汽車(chē)尾氣排放和噪音等環(huán)境污染引起了人們的關(guān)注。近年來(lái),在世界范圍內(nèi),提出了越來(lái)越嚴(yán)格的環(huán)保要求,先后制定了一系列越來(lái)越嚴(yán)格的排放法

13、規(guī),規(guī)定NO,和粒子排放目標(biāo)。我國(guó)的排放法規(guī)相對(duì)起步較晚，在2000年實(shí)行Eur。一I標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，我國(guó)柴油機(jī)排放技術(shù)發(fā)展很快，特別是采用引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的柴油機(jī)產(chǎn)品中，采用了增壓中冷、EGR、高壓噴射等機(jī)內(nèi)凈化措施以及催化轉(zhuǎn)化器等機(jī)外凈化手段，排放得到了有效的控制。現(xiàn)行的是ELlro一11排放標(biāo)準(zhǔn)，將在2010年實(shí)施Euro一m標(biāo)準(zhǔn)，排放標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步提高。柴油機(jī)的工作過(guò)程涉及到氣體流動(dòng)、渦輪增壓、噴油、燃燒、傳熱與傳質(zhì)以及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)等多種物理過(guò)程，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，有很大困難。自20世紀(jì)60年以來(lái)隨著快速、大容量電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在柴油機(jī)研究中的應(yīng)用，柴油機(jī)工作過(guò)

14、程模擬技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，使柴油機(jī)的工作過(guò)程模擬成為可能。 通過(guò)對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程的數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)人員能夠在柴油機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮氣流運(yùn)動(dòng)、燃燒室形狀、噴霧和燃燒等諸多因素的最優(yōu)匹配，可以預(yù)測(cè)、分析和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的性能、降低有害排放物，還可以解決柴油機(jī)設(shè)計(jì)方案論證及優(yōu)化、性能預(yù)測(cè)診斷和樣機(jī)的研究改進(jìn)等技術(shù)問(wèn)題。對(duì)柴油機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，用以指導(dǎo)柴油機(jī)的設(shè)計(jì)，不僅降低了研究費(fèi)用，節(jié)省了人力和物力，縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且能加速數(shù)據(jù)處理，使柴油機(jī)類(lèi)型、結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)達(dá)到優(yōu)化，必將把柴油機(jī)的設(shè)計(jì)方法和理論研究帶入一個(gè)新階段。 1.3 研究現(xiàn)狀 自七零年代以來(lái),由于大容量和高速度的計(jì)

15、算機(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在柴油機(jī)工作過(guò)程模擬中的應(yīng)用,和實(shí)驗(yàn)技術(shù)和改進(jìn)的測(cè)量?jī)x器和測(cè)試設(shè)備,使柴油機(jī)的實(shí)驗(yàn)和理論研究有更大的發(fā)展,仿真,優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。目前對(duì)柴油機(jī)的工作過(guò)程的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬計(jì)算方法。 1.3.1 工作過(guò)程模擬的研究 實(shí)驗(yàn)方法是使用相關(guān)測(cè)試技術(shù)在模型或?qū)嶒?yàn)研究中,理論研究的前提和基礎(chǔ),內(nèi)燃機(jī)的研究起一定的推動(dòng)作用,但柴油機(jī)性能參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)方法是非常繁雜的工作,研究和開(kāi)發(fā)費(fèi)用高,試驗(yàn)周期較長(zhǎng)。在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和測(cè)量設(shè)備的同時(shí)， 2 隨著高速和大容量計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和迅速發(fā)展,建立工作機(jī)制和柴油機(jī)和適合模型的計(jì)算結(jié)果,可以更好地預(yù)測(cè)柴油機(jī)的性能

16、,并且可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行廣泛研究的變量參數(shù),開(kāi)發(fā)新的引擎和改善舊發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,還可以降低成本,縮短測(cè)試時(shí)間,節(jié)省大量人力物力。對(duì)于柴油機(jī)工作過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算來(lái)說(shuō)，經(jīng)歷了由單純放熱計(jì)一算開(kāi)始，從零維到準(zhǔn)維、從準(zhǔn)維到多維模型的研究和發(fā)展過(guò)程。含有若干個(gè)修正系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)的常微分方程或代數(shù)方程，描述發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程，并輔以熱力學(xué)基本方程、理想氣體狀態(tài)方程和初始條件來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過(guò)程，nitially人從一開(kāi)始簡(jiǎn)單的純熱量計(jì)算,根據(jù)測(cè)量氣缸壓力示功圖估計(jì)實(shí)際的柴油機(jī)放熱規(guī)律。隨后出現(xiàn)了零維模型ni；它假設(shè)燃燒室內(nèi)各物理量(壓力.溫度、等效空氣燃料比)均勻分布的空間,工作介質(zhì)在瞬間達(dá)到熱平衡,符

17、合理想氣體狀態(tài)方程,這一假設(shè)的條件下,計(jì)算出內(nèi)燃機(jī)缸,溫度、氣體壓力在燃燒熱釋放率等性能參數(shù)。零維模型是通過(guò)熱力學(xué)和熱釋放率經(jīng)驗(yàn)公式,它可以預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能,但在對(duì)排放量的預(yù)測(cè),尤其是氮氧化物的形成和零維模型是不夠的。預(yù)測(cè)氮氧化物生成必須知道當(dāng)?shù)氐臏囟取毫?、燃燒室和空氣燃料比。因?人們的模擬燃燒室噴或火焰分為幾個(gè)區(qū)域,用來(lái)計(jì)算當(dāng)?shù)氐臏囟?、壓力和濃度在地區(qū)內(nèi)。從研發(fā)到燃燒室作為一個(gè)整體將模擬燃燒室的不同區(qū)域,燃燒模型的進(jìn)一步發(fā)展。燃燒室被劃分為多個(gè)區(qū)域，稱(chēng)為準(zhǔn)維多區(qū)燃燒模型。由于地區(qū)之間不同的參數(shù),在某種程度上,它反映了缸內(nèi)參數(shù)隨空間的變化。柴油機(jī)燃燒主要由燃料和空氣混合,控制噴霧的燃料和空

18、氣混合物決定發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室溫度和化工產(chǎn)品。準(zhǔn)維燃燒模型,在此基礎(chǔ)上,分為噴霧燃燒過(guò)程,夾雜空氣,燃燒,等,和相應(yīng)的模型來(lái)描述發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過(guò)程。 常微分方程的零維和準(zhǔn)維模型,具有簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),計(jì)算時(shí)間短,但對(duì)許多因素的過(guò)程中通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算處理、性能預(yù)測(cè)相當(dāng)隨意。此外,污染物的形成和與當(dāng)?shù)赜泻芏嘁蛩?如壓力、溫度、同質(zhì)性假設(shè),不利于理解缸的具體過(guò)程和工作過(guò)程的優(yōu)化。 1980年代后,隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,性能和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展,更復(fù)雜的多維模型,其中包括柴油發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸的描述傳熱、傳質(zhì)、動(dòng)量傳遞和化學(xué)動(dòng)力學(xué)的偏微分方程。多維模型試圖完全描述內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程的理論,為了更接近理論計(jì)算和實(shí)際的工

19、作過(guò)程中,它幾乎包括所有已知的因素,因此是更復(fù)雜的。由于湍流的本質(zhì)在柴油機(jī)燃燒過(guò)程中,細(xì)節(jié)理解排放的形成機(jī)制尚不完善,尤其是計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度不能跟進(jìn),維度模型并不在柴油機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算。為了掌握柴油機(jī)的整體性能,柴油機(jī)數(shù)值模擬是非常必要的。本文采用一維模型模擬計(jì)算。一維模型是整個(gè)系統(tǒng)被視為一維管路系統(tǒng)的柴油引擎,除了在系統(tǒng)參數(shù)r(陰)或曲柄角隨時(shí)間變化,還從一維坐標(biāo)x。 1.3.2 柴油機(jī)高原工作性能的研究現(xiàn)狀 柴油機(jī)的高原特性試驗(yàn)不僅可以在不同高度場(chǎng)條件下的實(shí)驗(yàn),也可以通過(guò)固定高度模擬艙不同大氣條件下封閉測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),一般是一個(gè)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,從平原到高原,沿著不同的高度

20、的性能測(cè)試,得到權(quán)力的柴油機(jī)在不同大氣條件下,燃料消耗、性能指標(biāo)等,由此產(chǎn)生的性能指標(biāo)符合實(shí)際情況。但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需要花費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間,并且常常局限于地理和自然條件,很難建立符合要求的測(cè)試的物理參數(shù)和試驗(yàn)條件,大偏差的可能性比較大。模擬艙,它可以部分地克服這個(gè)困難。但模擬高原環(huán)境還需要花大量的資金和人力和物質(zhì)資源。雖然大氣模擬試驗(yàn)臺(tái)是非常昂貴的,但由于地理、青藏高原目前國(guó)內(nèi)外許多科研單位有不同規(guī)格的印章作為柴油機(jī)艙室大氣模擬試驗(yàn)臺(tái)。，現(xiàn)在以國(guó)外BWM動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)部研制的不同海拔高度氣候、全天候全封閉的大氣模擬試驗(yàn)臺(tái)，為例來(lái)說(shuō)明大氣模擬試驗(yàn)臺(tái)。BWM不同海拔高度氣候模擬試驗(yàn)臺(tái)。BWM動(dòng)力系

21、統(tǒng)設(shè)計(jì)部研制的兩臺(tái)不同海拔高度氣候試驗(yàn)臺(tái)可在較寬的范圍內(nèi)就環(huán)境參數(shù)一一氣壓、空氣濕度及環(huán)境溫度進(jìn)行試驗(yàn)。表1一1為試驗(yàn)臺(tái)所能模擬的環(huán)境條件。安裝兩個(gè)試驗(yàn)機(jī)2層建筑,底層控制和共享之間兩個(gè)試驗(yàn),其布局如圖1所示。由兩個(gè)試驗(yàn)機(jī)位于監(jiān)控中心的控制室通過(guò)持續(xù)的監(jiān)控?cái)z像頭,機(jī)器測(cè)試通過(guò)傳輸通道進(jìn)入前廳的密封試驗(yàn)臺(tái)后發(fā)送。所有輔助設(shè)備和氣候模擬設(shè)備,包括試驗(yàn)臺(tái)工作電源設(shè)備、環(huán)境模擬設(shè)備(壓力、溫度、濕度)、開(kāi)關(guān)、控制、調(diào)整裝置位于頂層。 表1-1 BwM海拔高度及氣候模擬試驗(yàn)臺(tái)工作特性參數(shù) 可以全面、完整的試驗(yàn)臺(tái)模擬條件在不同的高度,控制精度和自動(dòng)化精度高,但實(shí)驗(yàn)室是昂貴的,每個(gè)測(cè)試的成本也大,不

22、適合我國(guó)的國(guó)情。 因此,田間試驗(yàn)精度高但花費(fèi)大,難操作,高原特征模擬實(shí)驗(yàn)是彌補(bǔ)的一部分田間試驗(yàn)的缺點(diǎn),它仍然需要一個(gè)更大的問(wèn)題。和模擬計(jì)算方法研究柴油機(jī)的高原性能更方便快捷,低成本的優(yōu)勢(shì),快速效應(yīng)和大氣條件下可以模擬任意高度。本文的工作是建立機(jī)車(chē)柴油機(jī)機(jī),一個(gè)一維模型的多缸柴油機(jī)性能分析和研究工作,為柴油機(jī)可以在高原的惡劣環(huán)境下正常工作 第二章 柴油機(jī)中冷器的CFD模擬優(yōu)化 增壓中冷系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保具有重要的貢獻(xiàn)。因此在車(chē)用柴油機(jī)上得到了普遍應(yīng)用。因?yàn)槲覀儑?guó)家在汽

23、車(chē)柴油機(jī)增壓中冷技術(shù)的發(fā)展起步較晚,對(duì)于設(shè)備的設(shè)計(jì)還沒(méi)有形成一套完整的理論,冷的性能評(píng)價(jià)方法還沒(méi)有形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此,在寒冷的在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中,常常需要進(jìn)行大量的匹配實(shí)驗(yàn)整個(gè)機(jī)器,導(dǎo)致開(kāi)發(fā)周期和成本的增加,不能滿(mǎn)足增壓中冷應(yīng)用程序的需求?，F(xiàn)在國(guó)際流行的設(shè)計(jì),研究方法主要是利用計(jì)算機(jī)模擬,設(shè)計(jì)首先,然后實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這可以極大地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周期,降低開(kāi)發(fā)成本。本文設(shè)計(jì)研究臺(tái)渦輪增壓中冷柴油機(jī)的使用一般商業(yè)CFD(計(jì)算流體力學(xué)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD)軟件流暢,虛擬設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。 2.1 CFD 技術(shù)在管翅式換熱器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方面的優(yōu)越性 車(chē)用中冷器由于各種條件的約束，主要有管翅式和板翅式兩

24、種類(lèi)型。相對(duì)而言，管翅式中冷器目前應(yīng)用越來(lái)越廣泛。翅片管換熱器是一種高效緊湊式換熱器,與加工技術(shù)的發(fā)展,擴(kuò)大了其應(yīng)用的范圍,是廣泛應(yīng)用于空氣分離、石油化工、天然氣液化、合成氨工業(yè)、船舶、車(chē)輛等,其突出優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,容易流安排,小溫差、大熱的溫度下降。和傳統(tǒng)的管式換熱器設(shè)計(jì)通常只依靠簡(jiǎn)單的理論,長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)分析確定換熱器的結(jié)構(gòu),但它需要大量的實(shí)驗(yàn)基金和長(zhǎng)周期,和由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)形式并不能保證最好的解決方案,因此需要探索更有效和方便的設(shè)計(jì)研究方法。 我們可以看到傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖的設(shè)計(jì)過(guò)程在傳統(tǒng)管式熱交換器,冷的影響設(shè)計(jì)的可行與否往往取決于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為保證中冷器性能穩(wěn)定， 就不得不進(jìn)行大量試

25、驗(yàn)。 和篩選和優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試部門(mén)進(jìn)行系統(tǒng)性循環(huán),由于涉及的鏈接,產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng),成本高,對(duì)于工程設(shè)計(jì),通常需要進(jìn)行方案選擇和優(yōu)化。 2.2 管翅式中冷器的 CFD設(shè)計(jì) 使用流利的軟件模擬計(jì)算和中冷,包括了解流體流動(dòng)和傳熱。涉及計(jì)算的一般步驟是：幾何建模、劃分網(wǎng)格、邊界設(shè)定、物理模型選擇、計(jì)算和后處理。 2.2.1 中冷器的建模 利用Proe軟件該中冷器進(jìn)行建模工作。然后將建成的模型導(dǎo)入Gambit中，Gambit是CFD商用軟件Fluent的前處理軟件，主要作用是建立網(wǎng)格模型。它的功能非常強(qiáng)大,可以建立各種各樣的幾何圖形,然后將網(wǎng)絡(luò)幾何和設(shè)置邊界條件,最后將生成

26、的網(wǎng)絡(luò)文件到流利的軟件來(lái)計(jì)算。我們對(duì)換熱器中冷器的結(jié)構(gòu)不構(gòu)成重大影響的前提下適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化所選的坦克。 建立合理的數(shù)學(xué)模型，中冷器建模后分為三部分，進(jìn)氣道、出氣道、芯體；其中芯體部分做如下簡(jiǎn)化：只做出增壓空氣通道，而冷卻介質(zhì)通道挖空，冷氣熱氣之間做對(duì)流換熱；將進(jìn)氣道、芯體、出氣道連為整體。這有助于計(jì)算量的減少和計(jì)算精度的保證。導(dǎo)入Gambit中的模型如圖5-1。 中冷器模型（三視圖） 中冷器模型（主視圖） 圖5-1 Gambit建模圖 2.2.2 網(wǎng)格劃分 完成后的CFD軟件的建模工作是建立在有限元分析的基礎(chǔ)。因此對(duì)所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。 在 Gambit 中，

27、對(duì)劃分網(wǎng)格的規(guī)定是：對(duì)于二維模型可劃分三角形、四邊形單元，而四邊形單元的計(jì)算精度高；對(duì)于三維模型可劃分為四面體、五面體和六面體單元，相對(duì)而言六面體單元的計(jì)算精度高。 冷的設(shè)計(jì)計(jì)算使用三維六面體網(wǎng)格單元模型。熱壓縮空氣直接把空氣冷卻器進(jìn)出口邊界。網(wǎng)格劃分的設(shè)置如圖5-2所示。網(wǎng)格單元取size=5，網(wǎng)格劃分后，總共有1780881個(gè)六面體單元，對(duì)模型進(jìn)行處理，改進(jìn)后的模型如圖5-3所示： 圖3-2 網(wǎng)格劃分設(shè)置 圖3-3 網(wǎng)格劃分圖 2.3 數(shù)值模型的建立 由于海區(qū)實(shí)際邊界的復(fù)雜性，而且運(yùn)動(dòng)方程中又含有非線(xiàn)性項(xiàng)，一般只能采用數(shù)值求解方法。在特定的邊界條件下，用數(shù)值求解方程組(

28、2.13)一((2.15)的方法很多。本計(jì)算采用國(guó)內(nèi)外技術(shù)比較成熟、應(yīng)用廣泛的ADI法(隱顯方向交林法)來(lái)進(jìn)行求解。 ADI法是一種有限差分法。有限差分法適用于各種類(lèi)型的微分方程,數(shù)學(xué)概念是明確的,簡(jiǎn)單、靈活方便、方便程序,精密差分格式在高和低的選擇,收斂性和穩(wěn)定性理論,往往是成熟,是一種最常用和最成功的方法。 有限差分法有很多種,包括顯式法和隱式法和隱式和顯式方法,計(jì)算使用哪種具體的將直接影響到模型的精度。顯式法和隱式法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，顯式法是直接求解節(jié)點(diǎn)未知量，不需要聯(lián)立求解離散得到的代數(shù)方程組；而隱式有限差分格式需要求解代數(shù)方程組.從這點(diǎn)看，顯格式要比隱格式優(yōu)越。從數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性的角

29、度,使用相對(duì)較小的時(shí)間步的顯式的請(qǐng)求,在初始值和高要求,如果初始誤差非常大,將導(dǎo)致不同的計(jì)算過(guò)程。ADI方法是一種隱式和顯式方法,它既有顯式和隱式方法各自的一些優(yōu)勢(shì),實(shí)際應(yīng)用中受歡迎。所以本次研究采用ADI法對(duì)微分方程進(jìn)行離散。 1.網(wǎng)格劃分 為了便于使用航天中心差分公式,利用交錯(cuò)網(wǎng)格圖(2.2)。圖3.2中網(wǎng)格交點(diǎn)編號(hào)記為i (x方向)，j(y方向)并規(guī)定i，j為整數(shù)點(diǎn)時(shí)記為水位點(diǎn)和糙度系數(shù)C， 用號(hào)“+”表示。 我為整數(shù)點(diǎn)x方向上速度u,用符號(hào)“-”表示。i為整數(shù)，j為± 點(diǎn)時(shí)記為y方向上流速v，用符號(hào)“|”表示。 當(dāng)i和j均為± 點(diǎn)時(shí)記為水深點(diǎn)，用符號(hào)"o"表示。 圖3.2

30、計(jì)算網(wǎng)格 將微分方程(2.13)一(2.15)離散成差分方程時(shí)，采用如下運(yùn)算符: △x=△y=△s為空間步長(zhǎng)，△t為時(shí)間步長(zhǎng)，i，j，n=0均以±，±1，為單位。在i， j點(diǎn)上n時(shí)間層時(shí)函數(shù)F可表示為: 2.差分方程的建立 由于本計(jì)算采用ADI法進(jìn)行求解，首先將△t分為兩個(gè)半步長(zhǎng)。按三層格式運(yùn)算。 在n△t-(n+)△t半步長(zhǎng)上，沿X方向?qū)和u進(jìn)行隱式計(jì)算，對(duì)v進(jìn)行顯式計(jì)算。 在后半時(shí)間步長(zhǎng)(n+)△t一（n+1)△t上，沿Y方向?qū)he v進(jìn)行隱式計(jì)算。對(duì)u進(jìn)行顯式計(jì)算。上述求解方法的特點(diǎn)是，無(wú)論沿X向求解杏和u，或沿y向求解杏和V均采用了隱式差分格式，穩(wěn)定性是良好的。

31、其次在每一時(shí)間層上，對(duì)某一確定的行求解s和u或?qū)δ骋涣星蠼鈙和V時(shí)均可化為三對(duì)角型線(xiàn)性代數(shù)方程組?？捎米汾s法求解。 根據(jù)上述要求，將方程組(2.13)到((2.15)離散成差分方程組。 在n△t-（n+)△t半步長(zhǎng)上，運(yùn)動(dòng)方程(2.13)的差分方程為: 將上式中的改寫(xiě)成則在i+，j點(diǎn)上得 方程2.16 同理在i， J十點(diǎn)上得運(yùn)動(dòng)方程(2.14)的差分方程為: 方程2.17 在i，」點(diǎn)上得連續(xù)性方程(2.15)的差分方程為: 方程2.18 將差分方程(2.16-2.18)進(jìn)一步離散，由(2.18)得: 將上式整理得： 方程2.19 其中 由

32、方程(2.16)得X向U的隱式差分方程為: 將上式整理得 方程2.20 其中 由萬(wàn)程(2.17)得X向V的顯式差分方程為: 方程2.21 同理得后半時(shí)間步長(zhǎng)(n +)△t-(n+1)△t沿Y方向V的隱式差分方程為: 方程2.22 其中 y方向連續(xù)性方程的差分方程為: 方程2.23 其中 y方向U的顯式差分方程為: 方程2.24 3.差分方程求解 為了求解逐行(列)各點(diǎn)在某一時(shí)間層上的s和U的值，將方程(19)和(20)聯(lián)立構(gòu)成如下三對(duì)角型代數(shù)方程組。 2.25 式(2.25)中 uJ以簡(jiǎn)寫(xiě)成Ax=f 即可以進(jìn)行

33、LU分解A=LU，其中 其中L和u非零元極少且分布很有規(guī)律，這種情況可作矩陣的Doolittle分解.計(jì)算公式如下: Di=ci，i=1，2，...，n-1 U1=b1 1i=a1/ui-1，i=2，3，...，n Ui=bi-lici-1，i=2，3，...，n 計(jì)算次序是Ul->12->U2->13->U3 ->...->lu-->un，原方程組Ax=f是通過(guò)下述兩個(gè)具有兩條對(duì)角線(xiàn)元素的三對(duì)角方程組實(shí)現(xiàn)的， 計(jì)算公式如下 Y1=f1，yi=fi-1iyi-1，i=2，3，...，n Xn=yn/un，xi=(yi-cixi+1)/ui，i=n-1，n-2，...，

34、1 我們稱(chēng)該計(jì)算公式為求解三對(duì)角方程組的追趕法。用追趕法可以很容易地工作方程(2.25),然后指出工作的價(jià)值V是一個(gè)半步長(zhǎng)完成一半時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算排名后,還用追趕法求解代數(shù)方程的L和V。然后再逐點(diǎn)地算出U的值。如此重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，直至計(jì)算結(jié)果達(dá)到穩(wěn)定為止。 3.4 結(jié)果分析 從上面中冷實(shí)現(xiàn)內(nèi)部靜態(tài)壓力、速度和溫度的分布云圖,我們可以看到:1,通過(guò)靜壓輪廓: 知道的壓力分布是分層裝置,進(jìn)氣壓力逐漸增加從上到下,但不是壓力變化,提出對(duì)邊。這說(shuō)明高壓的熱空氣進(jìn)入中冷器后，每層在通過(guò)換熱芯子時(shí)，熱空氣的壓力有所降低。這是由于熱交換器芯整體流通截面積應(yīng)大于流進(jìn)氣和排氣側(cè)橫截面積和路徑的壓縮空氣在

35、流動(dòng)的過(guò)程中較低的壓力。(2)由于進(jìn)氣道由上到下逐漸縮小，使中冷器下端壓力偏高，使該處的應(yīng)力偏高，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該重視。 (3)該模型中，拐角處為直角，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)避免直角拐角存在，進(jìn)出氣道的拐角處應(yīng)設(shè)計(jì)成圓角，使氣流平緩過(guò)渡，避免拐角處應(yīng)力過(guò)大。 2、 通過(guò)對(duì)速度云圖： (1)冷阱,熱空氣流量的一邊在當(dāng)?shù)馗浇母吣蜔帷＿@是由于進(jìn)口側(cè)的熱空氣通過(guò)熱核心,遇到熱心墻附近的流速不均勻產(chǎn)生的塊。在冷阱的設(shè)計(jì)是不可避免的,我們要做的是設(shè)法降低流速偏高。 (2)熱空氣的熱交換器芯整體速度分布比較均勻,這種設(shè)計(jì)有利于均勻傳熱的熱空氣。但我們可以看到,熱空氣的傳熱速度分布在核心自下而上略有不

36、同。 結(jié)論 作者將分析的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)定為東風(fēng)朝柴CY4100ZLQ，然后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及高效換熱的目的，選擇管翅式中冷器作為中冷設(shè)備，對(duì)給定增壓柴油機(jī)的原始數(shù)據(jù)換算出增壓柴油機(jī)已知及要求指標(biāo)；同時(shí)計(jì)算出柴油機(jī)的熱力參數(shù)。其次對(duì)中冷器芯體進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，并應(yīng)用對(duì)數(shù)平均溫差法校核散熱面積、用效能-傳熱單元數(shù)法校核增壓空氣出口溫度、并對(duì)增壓空氣和冷卻介質(zhì)的流動(dòng)阻力損失進(jìn)行校核。根據(jù)中冷器工作狀況，對(duì)零部件--封頭、隔板等做了相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，并用Proe 繪制出各部分的三維圖，并裝備成中冷器整體三維圖，然后又將其iges文件導(dǎo)入Fluent的前置處理器Gambit對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格

37、劃分，定義邊界條件，隨后將msh文件導(dǎo)入Fluent進(jìn)行邊界條件設(shè)定、模擬計(jì)算。本文只考慮冷阱電荷空氣進(jìn)出口邊界條件、冷卻空氣對(duì)流系數(shù)作為一個(gè)固定的冷卻,仿真結(jié)果有一定的誤差；然后對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。最后結(jié)合本設(shè)計(jì)中的模擬結(jié)果以及現(xiàn)階段中冷器的新發(fā)展?fàn)顩r，提出了幾項(xiàng)優(yōu)化措施。 參考文獻(xiàn) [1]申偉;二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J];節(jié)能與環(huán)保;2007年09期 [2]陸藝紅,張煜盛;含氧清潔燃料二甲醚燃燒特性的數(shù)學(xué)模擬[J];柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造;2002年03期 [3]張光德,黃震;綠色能源二甲醚發(fā)動(dòng)機(jī)的研究開(kāi)發(fā)[J];柴

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