现代设计方法在螺旋进气道设计中的应用α常思勤,刘雪洪,何小明(武汉汽车工业大学汽车工程学院,武汉430070)摘要:以应用于实际设计为目的,研究了现代设计方法在发动机螺旋进气道设计中的应用。实现了参数化的三维造型设计以及高精度的流动数值模拟,为气道的设计与改进提供了高效实用的研究手段。讨论了螺旋进气道的性能评价(包括螺旋进气道的流通性能与涡流强度),介绍了为研究螺旋进气道几何设计参数变化对气道性能的影响所进行的有关“数值试验”的情况。应用实例表明,现代设计方法的应用有益于克服传统设计中的盲目性与局限性,提高产品的自主开发能力与设计制造质量。关键词:计算机辅助设计;螺旋进气道;三维流动模拟;三维造型设计:TK402文献标识码:A实现了参数化的造型设计,才能方便快捷地生成多种不同的设计方案;结合气体流动数值模拟计算这一有效手段,才可以进行从初步设计到模拟计算,经分析、改进再进行计算的设计迭代,进而探索优化问题,真正实现螺旋进气道的计算机辅助设计。作者开展了气道外形的三维造型设计方法的研究,应用非均匀有理B样条(NURBS)描述气道外形的方法,分别研究了概念设计(又分为交互式设计与参数化设计)与仿形设计(通过测量获得气道外形曲面的三维坐标数据,再形成气道几何模型)的实现途径与关键技术。为摸索螺旋进气道的设计规律,尝试了多种途径与方法。经过探索与研究,认为气道的导向部分与螺旋室部分各自有着不同的曲面形成规律,对其分别进行处理较为合理,然后再根据其具体特点实现光滑连接过渡。采用先分别生成气道的导向部分与螺旋室部分,再进行两部分之间连接过渡的做法,同时合理选择设计参数,较好地解决了难以整体生成理想的气道外形的问题以及设计自由度的限制与建模过程复杂化的矛盾。在CAD支撑软件的基础上,利用二次开发工具自行开发了相应软件,实现了以自动方式根据给定气道设计参数直接生成气道三维模型的参数化设计;以自动方式将用三坐标测量仪所测定的气道外形曲面的三维坐标数据,通过转换与处理生成气道外形的仿形设计,取得了令人满意的结果,为寻找和确定符合各方面设计要求与性能最优的螺旋进气道打下了良好的基础。引言近年来,螺旋进气道不仅在小缸径直喷式柴油机中得到普遍的应用,其应用范围更扩展到正在迅速发展的缸内直接喷射式汽油机中,它的设计好坏,对发动机的混合气形成、燃烧与充量更换等方面均起到重要的影响。传统的螺旋进气道设计流程是采用经验设计加上反复试验(一般在稳流试验台上进行),多次修正的方法进行设计,而且还需要通过多次整机性能试验来验证与选择设计方案,在设计开发中存在着较大的盲目性与局限性,不仅设计开发周期长,耗费大,而且较难得到理想的方案。同时,由于气道形状复杂,在二维的工程图纸上难以精确表达,往往只能直接根据实物模型进行制造,这对保证设计制造的高质量是不利的。在螺旋进气道的设计与改进中,利用先进的现代设计方法,应用以三维造型设计为基础、以气体流动数值模拟为核心的CAD系统,已成为必然发展的趋势1。关键技术及其实现在发动机螺旋进气道的设计中应用现代设计方法,关键在于实现气道的三维造型设计与气体流动数值模拟。真正意义上的计算机辅助设计,应不仅是指实现三维造型设计,更重要的是建立性能与设计参数之间的定量关系,达到设计方案的优化,而这一点对于发动机气道来说要通过气体流动数值模拟来实现。只有1α收稿日期:1998209228;修订日期:1999201211。基金项目:湖北省自然科学基金资助项目(94j075)。作者简介:常思勤(19542),男,博士,教授,主要研究方向为发动机及车辆的现代设计方法,计算流体力学,柴油机工作过程与性能。·366·内燃机学报第17卷第4期将发动机进气道内的气体流动视为稳态的、三维、有粘性、可压缩气体的紊流流动来进行数值模拟,这主要是考虑到目前对螺旋进气道性能的评价主要还是基于气道稳流试验的结果,即使是在发动机设计制造技术领先的国外企业与研究单位也不例外2。作者自行开发了大规模的三维流动数值模拟计算软件3D2Flows,从注重实用性、计算效率与精度的角度出发,提出了一种新的网格划分方法——组合网格划分方法,并实现了计算网格的自动划分。组合网格划分方法采用两...