【文章內(nèi)容簡介】 能夠快速的給出你想要的結(jié)果，一旦你給定你的問題的參量；這樣你才有可能在很短的時(shí)間內(nèi)調(diào)整你設(shè)計(jì)的問題的參數(shù)，得到最好的優(yōu)化結(jié)果。 3）采用 CFD 是一種十分經(jīng)濟(jì)的做法。由于它的開發(fā)周期短，因此能節(jié)省大量的人力物力，使產(chǎn)品能更快的進(jìn)入市場。 目前比較好的 CFD 軟件有： Fluent、 CFX、 Phoenics、 StarCD，除了Fluent 是美國公司的軟件外，其它三個(gè)都是英國公司的產(chǎn)品 。本次論文使用的就是 Fluent。 Fluent 簡介 Fluent 是目前國際上比較流行的商用 CFD 軟件 ，在美國的市場占有率為 60%。舉凡跟流體，熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 27 有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。其在石油天然氣工業(yè)上的應(yīng)用包括：燃燒、井下分析、噴射控制、環(huán)境分析 、油氣消散 /聚積、多相流、管道流動等等。 Fluent 的軟件設(shè)計(jì)基于 CFD 軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對各種復(fù)雜流動的物理現(xiàn)象， FLUENT 軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度 等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動計(jì)算問題?；谏鲜鏊枷耄現(xiàn)luent 開發(fā)了適用于各個(gè)領(lǐng)域的流動模擬軟件，這些軟件能夠模擬流體流動、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和其它復(fù)雜的物理現(xiàn)象，軟件之間采用了統(tǒng)一的網(wǎng)格生成技術(shù)及共同的圖形界面，而各軟件之間的區(qū)別僅在于應(yīng)用的工業(yè)背景不同，因此大大方便了用戶。 網(wǎng)格的劃分 在用 Fluent 進(jìn)行求解 前，必須使用 專用的 CFD 前置處理器來建立幾何形狀及生成網(wǎng)格， FLUENT 系列產(chǎn)品皆采用 FLUENT 公司自行研發(fā)的 Gambit前處理軟件來建立幾何形狀及生成網(wǎng)格 。 gambit 簡介 GAMBIT 是為了幫助分析者和設(shè)計(jì)者建立并網(wǎng)格化計(jì)算流體力學(xué)（ CFD）模型和其它科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)軟件包。 GAMBIT 通過它的用戶界面（ GUI）來接受用戶的輸入。 GAMBIT GUI 簡單而又直接的做出建立模型、網(wǎng)格化模型、指定模型區(qū)域大小等基本步驟，然而這對很多的模型應(yīng)用已是足夠了。 在 面向 CFD 分析的高質(zhì)量的前處理器，其主要功能包括幾何建模和網(wǎng)格生成。由于 GAMBIT 本身所具有的強(qiáng)大功能，以及快速的更新，在目前所有的 CFD 前處理軟件中， GAMBIT 穩(wěn)居上游。 GAMBIT 軟件具有以下特點(diǎn)： 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 28 1） ACIS 內(nèi)核基礎(chǔ)上的全面三維幾何建模能力，通過多種方式直接建立點(diǎn)、線、面、體，而且具有強(qiáng)大的布爾運(yùn)算能力， ACIS 內(nèi)核已提高為 ACIS R12。該功能大大領(lǐng)先于其它 CAE 軟件的前處理器 2） 可對自動生成的 Journal 文件進(jìn)行編輯，以自動控制修改或生成新幾何與網(wǎng)格 3） 可以導(dǎo)入 PRO/E、 UG、 CATIA、 SOLIDWORKS、 ANSYS、 PATRAN 等大多數(shù)CAD/CAE 軟件所建立的幾何和網(wǎng)格。導(dǎo)入過程新增自動公差修補(bǔ)幾何功能，以保證 GAMBIT 與 CAD 軟件接口的穩(wěn) 定性和保真性，使得幾何質(zhì)量高，并大大減輕工程師的工作量 4） 新增 PRO/E、 CATIA 等直接接口， 使得導(dǎo)入過程更加直接和方便 5） 強(qiáng)大的幾何修正功能，在導(dǎo)入幾何時(shí)會自動合并重合的點(diǎn)、線、面；新增幾何修正工具條，在消除短邊、縫合缺口、修補(bǔ)尖角、去除小面、去除單獨(dú)輔助線和修補(bǔ)倒角時(shí)更加快速、自動、靈活，而且準(zhǔn)確保證幾何體的精度 6） G/TURBO 模塊可以準(zhǔn)確而高效的生成旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的各種風(fēng)扇以及轉(zhuǎn)子、定子等的幾何模型和計(jì)算網(wǎng)格 7） 強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力，可以劃分包括邊界層等 CFD 特殊要求的高質(zhì)量網(wǎng)格。 GAMBIT 中專用的網(wǎng)格劃分算法可以保證在復(fù)雜的幾何區(qū)域內(nèi)直接劃分出高質(zhì)量的四面體、六面體網(wǎng)格或混合網(wǎng)格 8） 先進(jìn)的六面體核心 (HEXCORE)技術(shù)是 GAMBIT 所獨(dú)有的，集成了笛卡爾網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，使用該技術(shù)劃分網(wǎng)格時(shí)更加容易，而且大大節(jié)省網(wǎng)格數(shù)量、提高網(wǎng)格質(zhì)量 9） 居于行業(yè)領(lǐng)先地位的尺寸函數(shù)（ Size function）功能可使用戶能自主控制網(wǎng)格的生成過程以及在空間上的分布規(guī)律，使得網(wǎng)格的過渡與分布更加合理，最大限度地滿足 CFD 分析的需要 10） GAMBIT 可高度智能化地選擇網(wǎng)格劃分方法，可對極其復(fù)雜的幾何 區(qū)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 29 域劃分出與相鄰區(qū)域網(wǎng)格連續(xù)的完全非結(jié)構(gòu)化的混合網(wǎng)格 11） 新版本中增加了新的附面層網(wǎng)格生成器，可以方便地生成高質(zhì)量的附面層網(wǎng)格 12） 可為 FLUENT、 POLYFLOW、 FIDAP、 ANSYS 等解算器生成和導(dǎo)出所需要的網(wǎng)格和格式 進(jìn)氣管的網(wǎng)格劃分 這次 Gambit 里面的建模，由 UG 導(dǎo)入。主要步驟是： 1）在 UG 的草圖里畫出改進(jìn)后的進(jìn)氣道的縱向形狀，如圖 所示。注意，圖必須畫在 xy 平面內(nèi)，否則 Gambit 無法打開。 圖 在 UG 的草圖里畫出改進(jìn)后的進(jìn)氣道的縱向形狀 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 30 2）將 PRT 文件保存為 IGS 文件。 3）將 IGS 文件導(dǎo)入 Gambit 里面，如圖 所示 圖 文件導(dǎo)入 Gambit 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 31 4）將 4 條邊建立為一個(gè)面 5）將 4 條邊進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，其中一條彎邊的網(wǎng)格對應(yīng)于其對面那條彎邊的網(wǎng)格，如圖 所示 圖 將邊進(jìn)行網(wǎng)格的劃分 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 32 6）對面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖 所示 圖 對面進(jìn)行網(wǎng)格劃分 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 33 7）將解算器改為 FLUENT5/6,對 4 條邊進(jìn)行邊界定義，其中進(jìn)氣口的邊類型定義為 PRESSURE_INLET,出氣口的邊類型定義為 PRESSURE_OUTLET,其余兩邊類型定義為 WALL。如圖 所示 圖 邊界定義 8）將文件以 MSH 格式導(dǎo)出。 進(jìn)氣道的 CFD 仿真模擬 1）打開 Fluent，導(dǎo)入 MSH 文件，并進(jìn)行 Check。 2）將長度單位 Units 定義成毫米 (mm)，如圖 所示 圖 定義長度單位 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 34 3) 定義 Viscous。 4) 定義 Boundary Conditions，由于收各種因素影響，邊界條件始終在改變，本次研究用最通常的狀況統(tǒng)一假設(shè)，進(jìn)氣口假設(shè)為 1 個(gè)大氣壓， 即101300 帕，出氣口定義為 個(gè)大氣壓，即 86105 帕。 5) 設(shè)定 Solve 中的 Initialize、 Monitor 6) 求殘?jiān)禂?shù) Iterate,其中疊代次數(shù)分別輸入 1000、 100、 1，如圖 所示。 圖 疊代次數(shù)的設(shè)置 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 35 8）求殘?jiān)禂?shù) Iterate，結(jié)果為收斂，如圖 所示，說明仿真模擬精確度有保證。 圖 殘?jiān)禂?shù) Iterate 9）在 Display 中顯示所需結(jié)果。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 36 CFD的仿真模擬的比較 改進(jìn)前后網(wǎng)格劃分的比較 改進(jìn)前網(wǎng)格的劃分和改進(jìn)后網(wǎng)格的劃分，如圖 所示 圖 改進(jìn)前網(wǎng)格的劃分 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 37 圖 改進(jìn)后網(wǎng)格的劃分 改進(jìn)前后進(jìn)氣管內(nèi)氣體流速的比較 在定義 Viscous 時(shí)，由于要判斷其中的空氣流動是層流（ Laminar）還是湍流（ SpalartAllmaras） .要用雷諾數(shù)來確定， 雷諾數(shù)小，意味著流體流動時(shí)各質(zhì)點(diǎn)間的粘性力占主要地位，流體各質(zhì)點(diǎn)平行于管路內(nèi)壁有規(guī)則地流動，呈層流流動狀態(tài)。雷諾數(shù)大，意味著慣性力占主要地位，流體呈紊流流動狀態(tài)， 一般管道雷諾數(shù) Re＜ 2020 為層流狀態(tài)， Re＞ 2020 為湍流狀態(tài)， Re vd??，其中 v 為進(jìn)氣口速度， ? 為動力粘性系數(shù)，由于這兩個(gè)參數(shù)都無法確定，所以我對這兩種模式均進(jìn)行的仿真模擬。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 38 1）在層流模式下 改進(jìn)前進(jìn)氣道的流速仿真 , 及最大值和最小值，如圖 所示。 圖 在 層流模式下改進(jìn)前進(jìn)氣道的流速仿真 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 39 圖 在 層流模式下改進(jìn)前進(jìn)氣道的流速的最大值和最小值 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 40 改進(jìn)后進(jìn)氣道的流速仿真 ,及最大值和最小值，如圖 所示。 圖 在層流模式下改進(jìn)后進(jìn)氣道的流速仿真 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 41 圖 在 層流模式下改進(jìn)后進(jìn)氣道的流速的最大值和最小值 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 42 2）在湍流模式下 改進(jìn)前進(jìn)氣道的流速仿真 , 及最大值和最小值，如圖 所示。 圖 在 湍流模式下改進(jìn)前進(jìn)氣道的流速仿真 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 43 圖 在 湍流模式下改進(jìn)前進(jìn)氣道的流速的最大值和最小值 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 44 改進(jìn)后進(jìn)氣道的流速仿真 , 及最大值和 最小值，如圖 所示。 圖 在 湍流模式下改進(jìn)后進(jìn)氣道的流速仿真 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 45 圖 在 湍流模式下改進(jìn)后進(jìn)氣道的流速的最大值和最小值 在層流模式下，改進(jìn)前進(jìn)氣道氣體最大流速為 ,最小流速為 ，改進(jìn)后進(jìn)氣道氣體最大流速為 ，最小流速為 ，如表 所示。在湍流模式下，改進(jìn)前進(jìn)氣道氣體最大流速為 ,最小流速為 ，改進(jìn)后進(jìn)氣道氣 體最大流速為 ，最小流速為 ，如表 所示。且 由于改進(jìn)后的進(jìn)氣道橫向形狀與改進(jìn)前完全一致，但由于燃燒室由扁球形改為楔形燃燒室，改進(jìn)后的進(jìn)氣管在縱向少比改進(jìn)前轉(zhuǎn)彎角度減小，所以只對縱向的氣流進(jìn)行模擬仿真比較是合理的。 所以，無論在層流模式還是在湍流模式，改進(jìn)后的進(jìn)氣道的氣體流速均大于改進(jìn)前進(jìn)氣道的氣體流速，故改進(jìn)后的進(jìn)氣道有更好的充氣性能。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋的改進(jìn)設(shè)計(jì) 46 表 在層流模式下，改進(jìn)前后進(jìn)氣道氣體流速 最小流速 最大流速 改進(jìn)前 改進(jìn)后 表 在湍流模式下，改進(jìn)前后進(jìn)氣道氣體流速 最小流速 最大流速 改進(jìn)前 改進(jìn)后 4 主要結(jié)論 本文按照設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，以上海工程技術(shù)大學(xué)實(shí)訓(xùn)中心所提供的奧迪發(fā)動機(jī)缸蓋為對象，對其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。將所設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)缸蓋以UG 作為輔助設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，建立發(fā)動機(jī)缸蓋實(shí)體模型，把改進(jìn)前后的進(jìn)氣道用 Gambit 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再通過 Fluent 軟件進(jìn) 行進(jìn)氣道 CFD的仿真模擬?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論： 1）通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析軟件，對氣缸蓋等這樣的復(fù)雜零件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)是可行的，而且是高效的、省力的。 2）用 UG 對復(fù)雜零件建模提出了自己的建議和方法，嘗試