发动机缸盖的改进设计(编辑修改稿)

发动机缸盖的改进设计(编辑修改稿)内容摘要：

能够快速的给出你想要的结果，一旦你给定你的问题的参量；这样你才有可能在很短的时间内调整你设计的问题的参数，得到最好的优化结果。 3）采用 CFD 是一种十分经济的做法。 由于它的开发周期短，因此能节省大量的人力物力，使产品能更快的进入市场。 目前比较好的 CFD 软件有： Fluent、 CFX、 Phoenics、 StarCD，除了Fluent 是美国公司的软件外，其它三个都是英国公司的产品。 本次论文使用的就是 Fluent。 Fluent 简介 Fluent 是目前国际上比较流行的商用 CFD 软件 ，在美国的市场占有率为 60%。 举凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。 它具上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 27 有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。 其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析 、油气消散 /聚积、多相流、管道流动等等。 Fluent 的软件设计基于 CFD 软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象， FLUENT 软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度 等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。 基于上述思想，Fluent 开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。 网格的划分 在用 Fluent 进行求解 前，必须使用 专用的 CFD 前置处理器来建立几何形状及生成网格， FLUENT 系列产品皆采用 FLUENT 公司自行研发的 Gambit前处理软件来建立几何形状及生成网格。 gambit 简介 GAMBIT 是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学（ CFD）模型和其它科学应用而设计的一个软件包。 GAMBIT 通过它的用户界面（ GUI）来接受用户的输入。 GAMBIT GUI 简单而又直接的做出建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤，然而这对很多的模型应用已是足够了。 在 面向 CFD 分析的高质量的前处理器，其主要功能包括几何建模和网格生成。 由于 GAMBIT 本身所具有的强大功能，以及快速的更新，在目前所有的 CFD 前处理软件中， GAMBIT 稳居上游。 GAMBIT 软件具有以下特点： 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 28 1） ACIS 内核基础上的全面三维几何建模能力，通过多种方式直接建立点、线、面、体，而且具有强大的布尔运算能力， ACIS 内核已提高为 ACIS R12。 该功能大大领先于其它 CAE 软件的前处理器 2） 可对自动生成的 Journal 文件进行编辑，以自动控制修改或生成新几何与网格 3） 可以导入 PRO/E、 UG、 CATIA、 SOLIDWORKS、 ANSYS、 PATRAN 等大多数CAD/CAE 软件所建立的几何和网格。 导入过程新增自动公差修补几何功能，以保证 GAMBIT 与 CAD 软件接口的稳 定性和保真性，使得几何质量高，并大大减轻工程师的工作量 4） 新增 PRO/E、 CATIA 等直接接口， 使得导入过程更加直接和方便 5） 强大的几何修正功能，在导入几何时会自动合并重合的点、线、面；新增几何修正工具条，在消除短边、缝合缺口、修补尖角、去除小面、去除单独辅助线和修补倒角时更加快速、自动、灵活，而且准确保证几何体的精度 6） G/TURBO 模块可以准确而高效的生成旋转机械中的各种风扇以及转子、定子等的几何模型和计算网格 7） 强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等 CFD 特殊要求的高质量网格。 GAMBIT 中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格 8） 先进的六面体核心 (HEXCORE)技术是 GAMBIT 所独有的，集成了笛卡尔网格和非结构网格的优点，使用该技术划分网格时更加容易，而且大大节省网格数量、提高网格质量 9） 居于行业领先地位的尺寸函数（ Size function）功能可使用户能自主控制网格的生成过程以及在空间上的分布规律，使得网格的过渡与分布更加合理，最大限度地满足 CFD 分析的需要 10） GAMBIT 可高度智能化地选择网格划分方法，可对极其复杂的几何 区上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 29 域划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的混合网格 11） 新版本中增加了新的附面层网格生成器，可以方便地生成高质量的附面层网格 12） 可为 FLUENT、 POLYFLOW、 FIDAP、 ANSYS 等解算器生成和导出所需要的网格和格式 进气管的网格划分 这次 Gambit 里面的建模，由 UG 导入。 主要步骤是： 1）在 UG 的草图里画出改进后的进气道的纵向形状，如图 所示。 注意，图必须画在 xy 平面内，否则 Gambit 无法打开。 图 在 UG 的草图里画出改进后的进气道的纵向形状 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 30 2）将 PRT 文件保存为 IGS 文件。 3）将 IGS 文件导入 Gambit 里面，如图 所示 图 文件导入 Gambit 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 31 4）将 4 条边建立为一个面 5）将 4 条边进行网格的划分，其中一条弯边的网格对应于其对面那条弯边的网格，如图 所示 图 将边进行网格的划分 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 32 6）对面进行网格划分，如图 所示 图 对面进行网格划分 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 33 7）将解算器改为 FLUENT5/6,对 4 条边进行边界定义，其中进气口的边类型定义为 PRESSURE_INLET,出气口的边类型定义为 PRESSURE_OUTLET,其余两边类型定义为 WALL。 如图 所示 图 边界定义 8）将文件以 MSH 格式导出。 进气道的 CFD 仿真模拟 1）打开 Fluent，导入 MSH 文件，并进行 Check。 2）将长度单位 Units 定义成毫米 (mm)，如图 所示 图 定义长度单位 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 34 3) 定义 Viscous。 4) 定义 Boundary Conditions，由于收各种因素影响，边界条件始终在改变，本次研究用最通常的状况统一假设，进气口假设为 1 个大气压， 即101300 帕，出气口定义为 个大气压，即 86105 帕。 5) 设定 Solve 中的 Initialize、 Monitor 6) 求残渣系数 Iterate,其中叠代次数分别输入 1000、 100、 1，如图 所示。 图 叠代次数的设置 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 35 8）求残渣系数 Iterate，结果为收敛，如图 所示，说明仿真模拟精确度有保证。 图 残渣系数 Iterate 9）在 Display 中显示所需结果。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 36 CFD的仿真模拟的比较 改进前后网格划分的比较 改进前网格的划分和改进后网格的划分，如图 所示 图 改进前网格的划分 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 37 图 改进后网格的划分 改进前后进气管内气体流速的比较 在定义 Viscous 时，由于要判断其中的空气流动是层流（ Laminar）还是湍流（ SpalartAllmaras） .要用雷诺数来确定， 雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。 雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态， 一般管道雷诺数 Re＜ 2020 为层流状态， Re＞ 2020 为湍流状态， Re vd，其中 v 为进气口速度，  为动力粘性系数，由于这两个参数都无法确定，所以我对这两种模式均进行的仿真模拟。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 38 1）在层流模式下 改进前进气道的流速仿真 , 及最大值和最小值，如图 所示。 图 在 层流模式下改进前进气道的流速仿真 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 39 图 在 层流模式下改进前进气道的流速的最大值和最小值 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 40 改进后进气道的流速仿真 ,及最大值和最小值，如图 所示。 图 在层流模式下改进后进气道的流速仿真 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 41 图 在 层流模式下改进后进气道的流速的最大值和最小值 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 42 2）在湍流模式下 改进前进气道的流速仿真 , 及最大值和最小值，如图 所示。 图 在 湍流模式下改进前进气道的流速仿真 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 43 图 在 湍流模式下改进前进气道的流速的最大值和最小值 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 44 改进后进气道的流速仿真 , 及最大值和 最小值，如图 所示。 图 在 湍流模式下改进后进气道的流速仿真 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 45 图 在 湍流模式下改进后进气道的流速的最大值和最小值 在层流模式下，改进前进气道气体最大流速为 ,最小流速为 ，改进后进气道气体最大流速为 ，最小流速为 ，如表 所示。 在湍流模式下，改进前进气道气体最大流速为 ,最小流速为 ，改进后进气道气 体最大流速为 ，最小流速为 ，如表 所示。 且 由于改进后的进气道横向形状与改进前完全一致，但由于燃烧室由扁球形改为楔形燃烧室，改进后的进气管在纵向少比改进前转弯角度减小，所以只对纵向的气流进行模拟仿真比较是合理的。 所以，无论在层流模式还是在湍流模式，改进后的进气道的气体流速均大于改进前进气道的气体流速，故改进后的进气道有更好的充气性能。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计 46 表 在层流模式下，改进前后进气道气体流速 最小流速 最大流速 改进前 改进后 表 在湍流模式下，改进前后进气道气体流速 最小流速 最大流速 改进前 改进后 4 主要结论 本文按照设计任务书的要求，以上海工程技术大学实训中心所提供的奥迪发动机缸盖为对象，对其进行改进设计。 将所设计的发动机缸盖以UG 作为辅助设计软件系统，建立发动机缸盖实体模型，把改进前后的进气道用 Gambit 软件进行网格划分，再通过 Fluent 软件进 行进气道 CFD的仿真模拟。 可以得出以下结论： 1）通过计算机辅助设计与分析软件，对气缸盖等这样的复杂零件进行改进设计是可行的，而且是高效的、省力的。 2）用 UG 对复杂零件建模提出了自己的建议和方法，尝试。