文丘里管設(shè)計(jì)仿真一體化平臺(tái)的設(shè)計(jì)

閆樂樂, 李楠, 王俊莉, 姚旺, 孟慶當(dāng)

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2. 濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

柴油機(jī)在經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、可靠性等方面具有優(yōu)勢(shì)，是汽車、工程機(jī)械、農(nóng)機(jī)、電站和船舶的主要?jiǎng)恿碓碵1]。對(duì)柴油機(jī)NOx排放要求越來越高，廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR)已成為控制柴油機(jī)NOx排放的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)EGR閉環(huán)精確控制尤為重要[2-5]。文丘里管的測量精度較高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、整車等應(yīng)用邊界的適應(yīng)性好，已廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造，利用傳感器測量文丘里管入口與喉口的壓差,可準(zhǔn)確計(jì)算流過的廢氣流量。

為滿足壓差傳感器量程要求，文丘里管設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行多次迭代。本文中基于優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件Isight、Creo二次開發(fā)工具 Protoolkit、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)仿真分析軟件STAR-CCM+及參數(shù)化設(shè)計(jì)原理開發(fā)文丘里管設(shè)計(jì)仿真一體化平臺(tái)，計(jì)算過程中通過不斷優(yōu)化迭代，得到最優(yōu)的文丘里管設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)文丘里管自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足國六柴油機(jī)開發(fā)要求。

1 總體方案

1.1 結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)流程

文丘里管由圓筒段(也稱入口段)、收縮段、喉部和擴(kuò)散段等組成。喉部直徑小于圓筒段直徑，喉口流速大于入口流速，流經(jīng)文丘里管的廢氣質(zhì)量流量[6-7]

(1)

式中：C為表征通過裝置的實(shí)際流量與理論流量之間關(guān)系的流出系數(shù)；β為喉口直徑與入口直徑之比；ε為膨脹因子；d為喉口直徑，mm；Δp為入口與喉口的靜壓差，kPa；ρ為通過的廢氣密度，kg/m3。

文丘里管結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳統(tǒng)的文丘里管設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖1 文丘里管結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳統(tǒng)文丘里管設(shè)計(jì)過程

傳統(tǒng)文丘里管設(shè)計(jì)過程包括理論計(jì)算、三維數(shù)字模型曲面修改、網(wǎng)格劃分、CFD流場計(jì)算、采樣和優(yōu)化設(shè)計(jì)等流程[8]。大量重復(fù)性迭代工作枯燥、費(fèi)時(shí)，不僅延長了設(shè)計(jì)和仿真周期， 也耗費(fèi)設(shè)計(jì)人員過多精力，存在出錯(cuò)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此，本文中依托優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件Isight和Creo二次開發(fā)工具Protoolkit，基于參數(shù)化設(shè)計(jì)原理[9-12]開發(fā)了文丘里管設(shè)計(jì)仿真一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)文丘里管自動(dòng)最優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足國六柴油機(jī)開發(fā)要求。

文丘里管設(shè)計(jì)仿真一體化總體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。根據(jù)一維熱力學(xué)仿真得到EGR管路直徑D1，新鮮進(jìn)氣量、EGR率、溫度T、壓力p等參數(shù)，以壓差傳感器量程的1/2(10 kPa，且滿足精度±0.2 kPa)要求作為目標(biāo)，根據(jù)式(1)反向計(jì)算文丘里管喉口直徑d。在現(xiàn)有定型的文丘里管中選取一款與計(jì)算的d最接近的文丘里管進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算應(yīng)用流量系數(shù)和膨脹系數(shù)均默認(rèn)為1，判斷計(jì)算出的壓差Δp是否為8～15 kPa，若符合要求，Isight啟動(dòng)CCM+單向仿真計(jì)算程序，仿真計(jì)算壓差滿足目標(biāo)要求，則定型該方案進(jìn)行開發(fā)，輸出仿真報(bào)告作為開發(fā)依據(jù)；若不滿足目標(biāo)要求或數(shù)據(jù)庫中所有產(chǎn)品均無法滿足壓差為8～15 kPa要求，則重新輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)，在系統(tǒng)中生成三維模型，Isight啟動(dòng)CCM+進(jìn)行迭代仿真計(jì)算，迭代仿真計(jì)算過程通過不斷調(diào)整d以滿足目標(biāo)要求，滿足目標(biāo)要求的d作為此次定型方案，輸出仿真報(bào)告作為開發(fā)依據(jù)。

圖3 文丘里管設(shè)計(jì)仿真一體化總體設(shè)計(jì)流程

1.2 輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化目標(biāo)

設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)分為性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和其他相關(guān)參數(shù)3類，輸入?yún)?shù)分類如表1所示。

表1 輸入?yún)?shù)分類

實(shí)測壓差超過壓差傳感量器量程，會(huì)導(dǎo)致測量失準(zhǔn)，實(shí)際測量壓差信號(hào)如圖4所示。

圖4 實(shí)際壓差信號(hào)

實(shí)際壓差信號(hào)是不斷波動(dòng)的，由于測量壓差超過傳感器量程限值(傳感器量程為20 kPa)時(shí)曲線a按照量程限值進(jìn)行計(jì)算，因此壓差傳感量器得到的壓差信號(hào)比實(shí)際壓差偏小。為避免壓差超過傳感器量程限值，在設(shè)計(jì)文丘里管時(shí)將壓差設(shè)計(jì)在量程一半左右(如曲線b所示)。在廢氣流量不變情況下，喉口直徑對(duì)壓差信號(hào)影響顯著，實(shí)際應(yīng)用中可通過調(diào)整喉口直徑將壓差信號(hào)控制在壓差傳感量器量程一半左右。

2 文丘里管設(shè)計(jì)仿真一體化的實(shí)現(xiàn)

2.1 過程集成

Isight具有強(qiáng)大的過程集成能力[13]，能夠?qū)⒍鄬W(xué)科代碼集成并使流程自動(dòng)化，并提供實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在Isight基礎(chǔ)上集成Creo二次開發(fā)代碼、CFD仿真分析軟件STAR-CCM+。

Isight集成優(yōu)化界面如圖5所示，箭頭代表數(shù)據(jù)及過程傳遞路徑；Creo代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的數(shù)據(jù)傳遞；STAR-CCM+和腳本實(shí)現(xiàn)邊界條件以及有限分析求解，輸出壓差信號(hào)；Script通過壓差信號(hào)判斷喉口直徑變化，當(dāng)Δp<9.8 kPa時(shí)，喉口直徑遞減0.1 mm，當(dāng)Δp>10.2 kPa時(shí)，喉口直徑遞增0.1 mm，觸發(fā)Creo二次開發(fā)代碼及STAR-CCM+腳本計(jì)算，直至壓差信號(hào)為9.8～10.2 kPa時(shí)終止計(jì)算。

圖5 Isight集成優(yōu)化界面

2.2 Creo二次開發(fā)

由于錄制Creo宏文件容易造成Creo閃退，終止整個(gè)系統(tǒng)，且錯(cuò)誤不易發(fā)現(xiàn)，本文中采用Protoolkit[14-15]開發(fā)Creo代碼取代錄制Creo宏文件，Protoolkit開發(fā)Creo代碼更加穩(wěn)健，其API函數(shù)涵蓋了Creo的大部分功能，Protoolkit能夠?qū)崿F(xiàn)深層次開發(fā)。

本系統(tǒng)采用Protoolkit異步開發(fā)模式作為獨(dú)立程序進(jìn)行Creo開發(fā)，每次Isight調(diào)用STAR-CCM+計(jì)算完成后，結(jié)果不滿足要求時(shí)執(zhí)行以下程序：獲取Creo路徑并通過ProEngineerStart()函數(shù)觸發(fā)Creo啟動(dòng)，獲取模板路徑并通過ProMdlRetrieve()函數(shù)加載模板模型，通過ProModelitemInit()、ProParameterInit()函數(shù)初始化當(dāng)前模板模型及模型參數(shù)，通過ProParameterValueSet()函數(shù)將參數(shù)賦值給模板對(duì)象，通過ProSolidRegenerate()實(shí)現(xiàn)模板對(duì)象再生；ProIntf3DFileWrite()函數(shù)完成模板對(duì)象轉(zhuǎn)碼為.stp格式給STAR-CCM+提供輸入模型。

2.3 STAR-CCM+宏文件

STAR-CCM+宏文件主要集成模型導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分、邊界條件輸入、輸出結(jié)果設(shè)置等功能。相比STAR-CCM+中Geometry 3D-CAD models模塊，Creo是更為專業(yè)的繪圖軟件。考慮測壓部位形狀會(huì)隨著喉口位置發(fā)生微調(diào)整，選擇繪圖Creo進(jìn)行三維建模，保證三維模型的魯棒性，進(jìn)而保證迭代計(jì)算正常進(jìn)行。

3 仿真實(shí)例

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

某6 L發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過7輪迭代優(yōu)化計(jì)算，壓差由8.49 kPa優(yōu)化至10.03 kPa，滿足9.8～10.2 kPa要求，喉口直徑由15.5 mm優(yōu)化至14.9 mm，同時(shí)輸出仿真結(jié)果，優(yōu)化喉口直徑d后文丘里管的流動(dòng)壓力和速度云圖仿真結(jié)果如圖6所示。整個(gè)計(jì)算過程，無需人為干涉，無需重新修改模型、重新劃分網(wǎng)格、重新輸入邊界條件等重復(fù)性工作，全程用時(shí)15 min左右，極大提高了工作效率。

a)壓力云圖 b)速度云圖圖6 優(yōu)化喉口直徑d的文丘里管流動(dòng)壓力和速度云圖仿真結(jié)果

4 結(jié)論

采用優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件Isight、Creo二次開發(fā)工具Protoolkit和CFD仿真分析軟件STAR-CCM+，基于參數(shù)化設(shè)計(jì)原理開發(fā)了文丘里管設(shè)計(jì)仿真一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)文丘里管自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足國六柴油機(jī)開發(fā)要求。

1)設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算及優(yōu)化，無需重新修改模型、重新劃分網(wǎng)格、重新輸入邊界條件等重復(fù)性工作，經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化，迅速得到最優(yōu)化的計(jì)算結(jié)果，極大提高工作效率。

2)仿真迭代優(yōu)化計(jì)算過程無需人為干涉，沒有報(bào)錯(cuò)，證明模型及程序穩(wěn)健，模型及程序的魯棒性滿足文丘里管自動(dòng)計(jì)算優(yōu)化要求。