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壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的數(shù)值模擬
昆山遠(yuǎn)方機(jī)電設(shè)備有限公司 2017/9/27 15:14:16
壓縮空氣由高壓儲(chǔ)氣瓶?jī)?chǔ)存，壓力可達(dá)15MPa由于輸氣管道與閥門以及各個(gè)部件的承壓能力有限，從安全角度考慮，使用減壓閥來(lái)降低出口壓力，一般出口壓力調(diào)為2.在進(jìn)氣減壓閥與發(fā)動(dòng)機(jī)之間設(shè)有一個(gè)控制閥門，用來(lái)調(diào)節(jié)壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，相當(dāng)于普通發(fā)動(dòng)機(jī)的油門。減壓閥、控制閥門和壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)之間使用承壓能力很高的鋼絲編織軟管相連接，高壓氣體在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中膨脹做功后經(jīng)排氣管排入大氣。
目前流行的流體分析軟件較多，例如一維分析的FLOWMASTER、三維分析的Fluent及Ansys等。FLOWMASTER是一款專業(yè)的工程流體管路系統(tǒng)的分析軟件16，擅長(zhǎng)于對(duì)流體管路系統(tǒng)進(jìn)行整體分析。它的數(shù)據(jù)庫(kù)中包含豐富的通用工程流體部件的模塊，如閥門、管道等，而且能夠運(yùn)用C或Fortran語(yǔ)言自己編寫部件模塊，構(gòu)建系統(tǒng)方便快捷。它能計(jì)算系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的壓力、溫度、質(zhì)量流量和馬赫數(shù)等數(shù)據(jù)，分析結(jié)果能以直觀圖形輸出或以Excel文件格式輸出。其它軟件，例如Fluent與Ansys，它們與FLOWMASTER相比更關(guān)注局部，雖然能夠進(jìn)行精細(xì)的三維流體計(jì)算，但對(duì)閥門與發(fā)動(dòng)機(jī)的建模很難進(jìn)行或計(jì)算成本太高，并不適合于系統(tǒng)的綜合分析。
考慮到本文建模的主要對(duì)象是整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，所以采用FLOWMASTER作為建模工具軟件，并構(gòu)建系統(tǒng)計(jì)算模型。
由于FLOWMASTER軟件中沒有發(fā)動(dòng)機(jī)特征化的模塊，所以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門、排氣門和氣缸各部件進(jìn)行模型化時(shí)，必須表達(dá)為相應(yīng)的閥門、可變壓力源、控制模塊和突變結(jié)等基本部件組成的程序，再與其它部件進(jìn)一步組合成系統(tǒng)的整體模型。Engine仿真計(jì)算模型如所示。
號(hào)復(fù)制器；0、24為閥門；21為管道；22、23為突變結(jié)。壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)中沒有燃燒過(guò)程，缸內(nèi)變化相對(duì)比較簡(jiǎn)單，而且FLOWMASTER軟件本身只是做一維的分析，作為系統(tǒng)中的一個(gè)部件，進(jìn)行多維流動(dòng)分析是沒有意義的，所以Engine模型采用發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)維模型進(jìn)行建模。
出壓力與溫度完全一樣的可變壓力源，它們組成發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)工作模型，其輸出值由2個(gè)控制器分別控制它們的輸出壓力與溫度?？刂破髦锌捎肰BScript編寫程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)可變壓力源的控制，計(jì)算模型就是在此部件中編寫代碼?？刂破骺梢杂凶疃?個(gè)輸入變量，它們可以是其它部件的瞬時(shí)狀態(tài)參數(shù)，例如質(zhì)量流量、溫度和壓力等。在此使用了3個(gè)變量，分別是進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣質(zhì)量流量和排氣質(zhì)量流量，從而根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)維模型解出微分方程組，計(jì)算出缸內(nèi)的壓力、溫度和工質(zhì)質(zhì)量。發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)維模型微分方程組ThcF/〔Tv/-其中，為傳熱面積；Twi為傳熱表面的平均溫度；c按傳熱面位置平均的瞬時(shí)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。
基于不同的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型，hc表達(dá)式也是不同的。
和Ts由FOWMATER分析算出，經(jīng)過(guò)控制器變量輸入接口傳遞入計(jì)算模型。聯(lián)立⑴（7）式，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，即可得到pT、m的數(shù)值解。FLOWMASTER的計(jì)算過(guò)程是一個(gè)特殊的迭代計(jì)算過(guò)程，以設(shè)定的分析時(shí)間和步長(zhǎng)為迭代計(jì)算的過(guò)程參數(shù)。分析從零秒開始，每個(gè)分析時(shí)刻計(jì)算完畢后增加一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，直至達(dá)到設(shè)定的分析時(shí)間值停止。
界傳入或傳出的熱量；W為作用在活塞上的機(jī)械功；為工質(zhì)的比焓；9為曲軸轉(zhuǎn)角。
機(jī)械功的計(jì)算公式為其中，V為氣缸容積；為缸內(nèi)壓力。
對(duì)于確定的發(fā)動(dòng)機(jī)，V是曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)，其表達(dá)式為一程序計(jì)算始點(diǎn)選擇氣體膨脹做功的始點(diǎn)，即進(jìn)氣門均關(guān)閉時(shí)刻。此時(shí)進(jìn)排氣質(zhì)量流量均為0，在整個(gè)膨脹過(guò)程中缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量不變，而其它過(guò)程缸內(nèi)質(zhì)量均有變化，以此點(diǎn)為計(jì)算始點(diǎn)，初值計(jì)算比其它過(guò)程更容易確定，所以取它作為計(jì)算始點(diǎn)最為合適。系統(tǒng)模型計(jì)算流程如所示。
N為計(jì)算步數(shù)；TotalN為總計(jì)算步數(shù)；s、Th為進(jìn)排氣溫度；qms、qml，分別為進(jìn)排氣質(zhì)量流量。計(jì)算基于以下條件和假設(shè)：由于氣瓶經(jīng)減壓閥減壓后的壓力隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)波動(dòng)很小，可簡(jiǎn)化為一個(gè)定壓力源，輸出壓力為定值，溫度恒定為室溫，假設(shè)排氣管出口壓力與溫度分別與大氣壓力與室溫相同。
編織軟管部件，以同管徑的一般鋼管代替使用。
荷運(yùn)行，控制閥門開度設(shè)為最大1.包括3個(gè)工作循環(huán)，時(shí)間步長(zhǎng)為10-5s大約為0.0022曲軸轉(zhuǎn)角，稍大點(diǎn)的時(shí)間步長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算無(wú)法收斂。
3計(jì)算結(jié)果及對(duì)比分析上止點(diǎn)前10CA進(jìn)氣閥開啟，此時(shí)缸內(nèi)外壓比較小，氣缸容積較小，活塞仍在上行，盡管閥門開度很小進(jìn)氣量不大，壓力快速升高。隨著活塞下行，氣缸容積增加速率逐步提高，缸內(nèi)外壓比增大進(jìn)氣速率降低，壓力上升緩慢，出現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)區(qū)。在進(jìn)氣門關(guān)閉前10CA開始，由于進(jìn)氣閥開度減小導(dǎo)致進(jìn)氣流量減小，氣缸容積增加速率不斷增加，壓力開始下降。上止點(diǎn)后90CA進(jìn)氣閥關(guān)閉，氣體繼續(xù)膨脹，壓力持續(xù)降低。在上止點(diǎn)后155CA排氣門打開，開始排氣，缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量減少，壓力下降速率稍許加快，隨著壓力不斷降低，接近一個(gè)大氣壓時(shí)壓力降低趨于平緩，最低壓力基本與一個(gè)大氣壓相等。在進(jìn)氣初期容積變化較小，近似認(rèn)為此過(guò)程為定容充氣過(guò)程。壓力升高速率比質(zhì)量升高速率大，由（6）式知，溫度上升對(duì)膨脹過(guò)程有利，整體抬升了膨脹過(guò)程的氣體溫度。