船用柴油机进气道的三维数值仿真及其优化设计

发布时间：2017-11-22 09:22

  本文关键词：船用柴油机进气道的三维数值仿真及其优化设计

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【摘要】：“十一五”时期以来我国船舶行业迅猛发展，成为世界重要的造船国家之一。作为船舶行业的动力提供者，柴油机以其高效率、低能耗和大功率而受到青睐。进气道作为柴油机的重要组成部分，对进入气缸内的空气量以及涡流形成能力影响很大，即影响缸内混合气的形成及燃烧过程，从而间接的影响柴油机的动力性、经济性和排放性能。本文以某船用柴油机螺旋进气道为研究对象，借助计算机辅助设计技术CAD构建了螺旋进气道的三维参数化模型，运用三维数值仿真技术CFD完成了进气道-气门-气缸组成的进气系统中速度场、湍动能场以及流动迹线图的流场分析，在Isight集成框架下对气道进行了优化设计。具体研究内容如下： （1）阐述了进气道的设计方法、数值仿真的相关理论，分析了进气道内部气体流动的能量损失，对气道流通性能的评价指标计算方法进行了研究。 （2）在深入阅读国内外文献的基础上，分析了三种螺旋进气道的参数化建模方法，基于CFD数值模拟技术对各种建模方法得到的模型进行了稳态流动的数值模拟计算，最终提出了基于渐开线方程的螺旋进气道参数化建模方法，该方法可以快捷生成不同尺寸的气道模型，提高设计效率。 （3）采用三维数值模拟技术不仅可以得到气道的流量系数和涡流比等宏观流动特性，而且可以得到进气道内部流场的微观信息，为进气道的优化及设计开发提供重要依据。本文以CFX软件为平台，选取k-ε湍流模型和SIMPLE算法对该进气道进行了三维数值模拟仿真，分析了不同气门升程下缸内的流场信息，包括速度场、湍动能场和流动迹线图，对评价进气道流通性能的两个参数（流量系数和涡流比）进行了计算，此外，本文还探讨了不同结构参数对气道流通性能的影响，为气道的优化提供了理论依据。 （4）由于螺旋进气道的流通性能取决于多个结构参数，采用优化单一参数的方法已不能满足气道改进的需求，本文采用系统化的方法对气道进行了试验设计，并通过基于最优拉丁超立方算法完成试验设计，获得了对气道流量系数和涡流比响应比较大的因子，作为气道优化的设计变量。 （5）为了得到流通性能良好的螺旋进气道，在气道数值模拟与试验设计的基础上，联合多学科集成优化平台Isight对气道进行了优化设计研究。通过编制一系列命令流文件与批处理文件自动驱动气道模型的建立、网格的划分、数值模拟以及流量系数和涡流比的计算，结合Pointer混合优化策略，在满足尺寸约束和性能约束的前提下实现流量系数最大化。优化结果表明，流量系数较优化前提高5.83%，从而提高了进气道的流通性能。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U664.121

【参考文献】

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本文编号：1214226