内燃机三维CFD数值模拟程序开发.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123052
内燃机三维CFD数值模拟程序开发
刘永丰,明平剑,张文平,孙华文
(哈尔滨工程大学动力与能源工程学院,哈尔滨 150001)
(Tel: [phone], Email: ******@hrbeu.)
摘要为了对内燃机工作过程进行模拟,建立了缸内流体流动的控制方程,采用有限体积法将控制方程离散,通过SIMPLEC算法求解NS方程,并对内燃机工作过程计算域网格的变化进行合并分裂处理,开发了一套用于内燃机工作过程的三维非结构网格CFD程序。将程序用于实际内燃机纯空气循环过程,计算结果分别与实验和软件结果吻合较好。
关键词数值模拟;CFD;内燃机;非结构网格
0 前言
随着计算机技术的发展,CFD模拟已经成为内燃机领域必不可少的研究设计手段。美国Los -II程序[1],并在此基础上发展了KIVA系列程序,在发动机设计方面发挥了重要的作用。[2]首创的半隐式控制容积法SIMPLE在算法上奠定了求解缸内化学流控制方程组的基础。大量内燃机工作者在消化和吸收KIVA中先进的数学模型、数值方法和计算程序的基础上,开发出了许多适合微机的内燃机工作过程数值模拟程序[3,4]。近年来,随着对内燃机工作过程的大量研究,开发出了一系列基于SIMPLE算法的功能齐全的商用软件,如STAR-CD、Fire等软件,为发动机的研制提供了便利条件,于是采用现有软件模拟成为近年来研究内燃机工作过程数值模拟的主要手段[5],但是这种软件很难看到源代码。
由于自编程序可以不受软件模型的限制,并且可以及时灵活的引入先进模型,本文采用Fortran程序开发了一套用于内燃机缸内过程的基于SIMPLE算法的三维数值模拟程序,采用程序直接在Fortran编译器上运行,为内燃机数值模拟提供了平台。
1 数学模型
内燃机缸内气体具有可压缩、强湍流、计算域变化等特点,需要通过一系列控制方程来描述。
控制方程
缸内的质量、动量、能量以及湍流方程在控制体上积分可得输运方程的积分形式:
(1)
式中,可以是1, ,,或。是流体密度,是流体速度,是网格移动速度,
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51206031)
是指控制体积,随时间变化,是控制体的表面面积,是控制面的外法向单位向量。对于不同的场变量,扩散系数和源项在表 1中列出:
表1扩散系数和源项
1
0
0
,,
,
方程离散
采用基于单元中心的FVM,瞬态项采用隐式格式:
(2)
式中,,和是上一时刻的密度,控制体积和场变量,是时间步长。
C2
C
Aj
n
d
图1 两个单元
对于对流项,采用一阶迎风格式:
(3)
如图1所示,和分别是单元C和C2的变量值,和是通过面Aj的流量,以单元C为研究对象,指从C2流向C,指从C流向C2。
扩散项转化为面积分后分裂为网格中心线上的差分和一个梯度表示的交叉项,而把后者归为源项:
(4)
式中,是上一时刻面梯度,通过两个单元插值获得,是单元中心C到C2的位移矢量。
2 数值方法
采用有限体积法