一种气动发动机进排气通道流场和热传递优化的参数化方法
【专利摘要】本发明主要公开了一种基于计算流体动力学对气动发动机进排气通道的流场和热传递的部件进行仿真优化的参数化方法，主要步骤如下：首先对所研制的两级式气动发动机进行物理三维结构模型和数学模型的建立，其次对所建立的三维结构图进行网格划分，接下来利用计算流体动力学软件fluent对气动发动机模型进行数值仿真，最后对气动发动机进排气通道的流场特性进行特性分析及计算，并根据计算结果对气动发动机的进排气通道和热传递部件进行优化和改进。本发明首次将CFD思想引入到气动发动机领域，为进一步提升气动发动机的能量利用率、改善气体压力时变规律紊乱以及气体密度不均等问题，提供了一种新的理论方法和依据，也为气动发动机研究提供了一种新的思路。
【专利说明】一种气动发动机进排气通道流场和热传递优化的参数化方 法
【技术领域】
[0001] 本发明属于仿真计算应用方法领域，具体涉及一种对动力机械领域的气动发动机 进排气通道流场和热传递部件仿真优化的参数化方法，这里主要是针对新研制的两级式气 动发动机，对其进行一系列的建模和特性的计算分析，特别是涉及到对气动发动机的高压 气体通道的流场和热传递部件的新的分析方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着社会的发展以及工业化的普及，我国汽车产业加快推进转型升级，锐 意进取，全行业呈现持续健康发展态势。2013年汽车产销已经突破两千万辆大关，针对这样 一个的发展趋势来看，能源问题迫在眉睫，于是新能源汽车的发展是大势所趋。气动发动机 可以实现零排放，而且不使用矿物燃料，以压缩空气为做功介质，通过工质的膨胀过程对外 输出功率。这种发动机的工作循环完全是一个物理过程，由于没有燃烧，也就没有生成常规 发动机的有害排放体，完全实现发动机的无污染排放。另外，制取压缩空气所用电能容易获 取，空气介质更是取之不尽。可见，将内燃机改用压缩空气为动力，能够很好地解决上述矛 盾。
[0003] 我们都知道,气动发动机也存在一些突出的问题。例如，由气动发动机所发出的能 被利用的功率较低，能量利用率不高，气体压力时变规律紊乱及气体密度不均等。如果将其 用在汽车上，必然会致使气动汽车的续驶里程较小。于是我们很有必要发现一种分析计算 方法用来解决气动发动机的这一系列问题。由于气动发动机里很多地方都是高压气体，从 而就存在了气体流场和热传递的问题，所以这个发明主要就是用来解决这些问题的。
[0004] 针对高压进排气通道的流场和热传递，结合CFD (计算流体动力学)，采用fluent 软件，在计算机上完成三维结构建模和数值仿真计算分析的一种方法，从而可以分析一些 复杂机构中的流场和热传递在各种情况下对机构所产生的影响，如气体压力、功率、能量利 用情况以及密度等随时间的变化对气动发动机所带来的影响，进而来提升气动发动机的整 机性能。
【发明内容】
[0005] 基于上述问题，本发明提供了一种基于计算流体动力学的软件fluent对气动发 动机进排气通道高压流场仿真优化的参数化方法，即：把用于解决流体及传热方面的方法 和气动发动机结合起来，在本专利里，研究的对象是我们研制的两级式气动发动机。该技术 方法能够有效地研究气动发动机中的气流管道中的流场和压力的实时情况以及高压气体 对系统中均匀受力的影响，为进一步改善气动发动机的功率低和能量利用利用率不高提供 了 一种新方法。
[0006] 本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下： 一种气动发动机进排气通道流场和热传递优化的参数化方法，其特征在于：通过对气 动发动机建立计算流体动力学模型，利用基于计算流体动力学CFD的软件fluent对气动发 动机控制方程以及边界条件的建立，气动发动机进排气通道的流场和热传递参数进行仿真 优化，改善气动发动机进排气通道内压力、能量利用率和气体均匀性，从而来提高气动发动 机在实际运用中的机械效率，主要包括以下步骤： a) :三维结构模型建立：利用catia及autoCAD总体设计并具体得出气动发动机的具 体模型； b) :数学模型建立：首先根据气动发动机的具体工作状态确定质量守恒方程、动量守 恒方程、能量守恒方程以及整体系统和部分系统的组分质量守恒方程的条件，所述的条件 确定如下：（1)假定气动发动机高压气管通道内部的气流为粘性、牛顿流体，并且是可压缩 的，流动的方式为非定常流动，并考虑粘性力在工作过程中所耗散的能量；（2)假定在气动 发动机里，气流的流动状态为湍流，且流体质点相互混掺，运动无序，运动要素具有随机性， 满足Boussinesq假设；（3)研究对象是气动发动机里的高压气体通道气和发生热传递的部 件，从而基本方程为雷诺方程，湍流模型采用k一双方程模型； c) :对气动发动机模型进行网格划分：在气动发动机三维模型建立后，将三维图导入 Gambit软件里或者workbench里面的mesh模块、ICEM、pointwise来进行计算网格划分，由 于气动发动机的进排气的气体管道都是任意形状、非规则的结构，于是可以采用非结构化 的网格；网格可以采用四面体或者六面体形式等，然后再在gambit软件中自动配上适合的 边界条件； d) :进行基于fluent的分析：进入fluent软件后，第一步：把先前绘制的关于气动发 动机的网格显示出来，Define - models - slover ;第二步：建立求解模型：选择求解器一 设置标准k一湍流模型，Define - models,在models列表中选择k一epsilon湍流模型， 选好模型后会自动打开viscous models对话框；在上述中，选择能量方程，激活传热机制 Define - models - energy ;第三步：设置气动发动机里流体的物理属性；第四步：确定边界 条件，依次设置流体和主入口的边界条件；第五步：基于上述准备进行求解，然后在fluent 软件里绘制出关于气动发动机的温度场图、压力场图、湍流动能图及强度图的特征曲线图， 进而对气动发动机的实时压力和能量利用情况进行特性分析，得出相关结论。
[0007] 本发明通过建立计算流体动力学模型，利用CFD软件fluent对气动发动机进排气 通道流场和热传递部件进行仿真优化，为进一步提升气动发动机的能量利用率、改善气体 压力时变规律紊乱以及气体密度不均等问题提供了一种新的理论依据。也为气动发动机研 究提供了 一种新的思路。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1为本发明所使用的两级式空气动力发动机机体的物理模型图； 图2为本发明基于fluent软件对两级式气动发动机的两级气缸和高压铜管仿真优化 的参数化方法的具体设计流程示意图。
【具体实施方式】
[0009] 为了使此发明叙述的技术手段、方法能被技术人员清楚的理解以及把它用在气动 发动机上后所能得出的结论，在此结合图示和上述具体步骤再作进一步阐述。首先是要在 其所使用的计算机里做好准备工作，安装好exceed、gambit软件和fluent软件。
[0010] 如图1所示本发明所使用的两级式空气动力发动机机体的物理模型图； 如图2所示为参数化流程图，一种气动发动机进排气通道流场和热传递优化的参数化 方法，通过对气动发动机建立计算流体动力学模型，利用基于计算流体动力学CFD的软件 fluent对气动发动机进排气通道的流场和热传递参数进行仿真优化，改善气动发动机进排 气通道内压力、能量利用率和气体均匀性，从而来提高气动发动机在实际运用中的机械效 率，包括以下步骤： a) :三维结构模型建立：利用catia及autoCAD总体设计并具体得出气动发动机的具 体模型； b) :数学模型建立：首先根据气动发动机的具体工作状态确定质量守恒方程、动量守 恒方程、能量守恒方程以及整体系统和部分系统的组分质量守恒方程的条件，所述的条件 确定如下：（1)假定气动发动机高压气管通道内部的气流为粘性、牛顿流体，并且是可压缩 的，流动的方式为非定常流动，并考虑粘性力在工作过程中所耗散的能量；（2)假定在气动 发动机里，气流的流动状态为湍流，且流体质点相互混掺，运动无序，运动要素具有随机性， 满足Boussinesq假设；（3)研究对象是气动发动机里的高压气体通道和发生热传递的部 件，从而基本方程为雷诺方程，湍流模型采用k一双方程模型； c) :对气动发动机模型进行网格划分：在气动发动机三维模型建立后，将三维图导入 Gambit软件里或者workbench里面的mesh模块、ICEM、pointwise来进行计算网格划分，由 于气动发动机的进排气的气体管道都是任意形状、非规则的结构，于是可以采用非结构化 的网格；网格可以采用四面体或者六面体形式等，然后再在gambit软件中自动配上适合的 边界条件； d) :进行基于fluent的分析：进入fluent软件后，第一步：把先前绘制的关于气动发 动机的网格显示出来，Define - models - slover ;第二步：建立求解模型：选择求解器一 设置标准k一湍流模型，Define - models,在models列表中选择k一epsilon湍流模型， 选好模型后会自动打开viscous models对话框；在上述中，选择能量方程，激活传热机制 Define - models - energy ;第三步：设置气动发动机里流体的物理属性；第四步：确定边界 条件，依次设置流体和主入口的边界条件；第五步：基于上述准备进行求解，然后在fluent 软件里绘制出关于气动发动机的温度场图、压力场图、湍流动能图及强度图的特征曲线图， 进而对气动发动机的实时压力和能量利用情况进行特性分析，得出相关结论。
[0011] 在数学模型的建立中，一定要注意各种条件的选取：确定气动发动机的各个所要 研究的进排气高压气流通道里的高压气流为粘性、牛顿流体、是可压缩的，流动的方式为非 定常流动，在计算中要弄清能量的利用和耗散，即耗散能量；另外，在气动发动机里，气流的 流动状态为湍流，且流体质点相互混掺，运动无序，运动要素具有随机性，满足Boussinesq 假设；还有就是，研究对象是进排气高压气流通道和热传递部件，从而我们可以确定其基本 方程为雷诺方程，湍流模型采用k一双方程模型。基于上述所有准备，最后在fluent中进行 计算和特性分析并得出相应结果，进而分析其压力和能量的适时情况。
[0012] 接下来，结合上述方法，针对气动发动机中的两级气缸和串联两气缸之间的高压 铜管进行简单的结果分析。气缸和铜管是气动发动机的核心部分，当高压气体进入一级气 缸膨胀做功完成后通过铜管到二级气缸继续膨胀做功，这样设计目的就是为了增大输出功 率。然而，如果这个小系统的结构设计不好，会直接影响气动发动机两级化的效果。
[0013] 现在对两级气缸和铜管基于fluent方法进行分析。由于运动流场的连续性要求， 在活塞与气缸之间会产生非常大的压降，所以气缸的结构大小对其所产生的压力效果极其 重要。对气缸建模和网格划分后，在fluent中模拟分析，经过优化后并结合设计的具体要 求，由分析结果可得：一级和二级气缸的直径分别为70_和78_时，两个活塞和气缸间的 压力降比较均匀、稳定，从而产生的压力也较均匀恒定，比研制预期要求要好的多。
[0014] 其次，中间铜管通道的直径和长度对气动发动机的膨胀比和压力脉动幅度的影响 较大，通过上述方法结果可知，当铜管直径为13_、长度为355 mm时，膨胀结束后压力损失 最小，提高了膨胀的效率，在此结构下也使压力的脉动幅度减小了 一些。
[0015] 另外，由湍流强度的变化模拟分析可知，活塞刚开始转动时湍流强度大的地方主 要集中在二级气缸进气口的位置.随着一级气缸中流体的不断流入，使得该腔的湍流强度 要明显大于一级气缸，此时的两个气缸的湍流效果很快得到一种动态平衡，从而流体流动 则相对稳定。
【权利要求】
1. 一种气动发动机进排气通道流场和热传递优化的参数化方法，其特征在于：通过对 气动发动机建立计算流体动力学模型，利用基于计算流体动力学CFD的软件fluent对气 动发动机进排气通道的流场和热传递参数进行仿真优化，改善气动发动机进排气通道内压 力、能量利用率和气体均匀性，从而来提高气动发动机在实际运用中的机械效率，主要包括 以下步骤： a) :三维结构模型建立：利用catia及autoCAD总体设计并具体得出气动发动机的具 体模型； b) :数学模型建立：首先根据气动发动机的具体工作状态确定质量守恒方程、动量守 恒方程、能量守恒方程以及整体系统和部分系统的组分质量守恒方程的条件，所述的条件 确定如下：（1)假定气动发动机高压气管通道内部的气流为粘性、牛顿流体，并且是可压缩 的，流动的方式为非定常流动，并考虑粘性力在工作过程中所耗散的能量；（2)假定在气动 发动机里，气流的流动状态为湍流，且流体质点相互混掺，运动无序，运动要素具有随机性， 满足Boussinesq假设；（3)研究对象是气动发动机里的高压气体通道和发生热传递的部 件，从而基本方程为雷诺方程，湍流模型采用k一双方程模型； c) :对气动发动机模型进行网格划分：在气动发动机三维模型建立后，将三维图导入 Gambit软件里或者workbench里面的mesh模块、ICEM、pointwise来进行计算网格划分，由 于气动发动机的进排气的气体管道都是任意形状、非规则的结构，于是可以采用非结构化 的网格；网格可以采用四面体或者六面体形式等，然后再在gambit软件中自动配上适合的 边界条件； d) :进行基于fluent的分析：进入fluent软件后，第一步：把先前绘制的关于气动发 动机的网格显示出来，Define - models - slover ;第二步：建立求解模型：选择求解器一 设置标准k一湍流模型，Define - models,在models列表中选择k一epsilon湍流模型， 选好模型后会自动打开viscous models对话框；在上述中，选择能量方程，激活传热机制 Define - models - energy ;第三步：设置气动发动机里流体的物理属性；第四步：确定边界 条件，依次设置流体和主入口的边界条件；第五步：基于上述准备进行求解，然后在fluent 软件里绘制出关于气动发动机的温度场图、压力场图、湍流动能图及强度图的特征曲线图， 进而对气动发动机的实时压力和能量利用情况进行特性分析，得出相关结论。
【文档编号】G06F17/50GK104123414SQ201410345740
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月19日 优先权日:2014年7月19日
【发明者】宋宇, 李玉龙, 朱德泉, 焦俊, 蒋峰, 朱烨, 方健, 刘永博 申请人:安徽农业大学