基于全局響應(yīng)面法的排氣歧管流體分析優(yōu)化設(shè)計(jì)

2016-09-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

基于全局響應(yīng)面法的排氣歧管流體分析優(yōu)化設(shè)計(jì)

The Exhaust Manifold CFD Optimization Design

Based on Global Response Surface Methodology

劉孟祥

湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院湖南長沙 410205

摘要:本文對(duì)某1.4L增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。首先采用基于有限元法的CFD求解器AcuSolve對(duì)初始排氣歧管模型進(jìn)行了流場(chǎng)分析,根據(jù)流場(chǎng)特征確定排氣歧管外形需要重點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的兩個(gè)區(qū)域。然后對(duì)區(qū)域外形進(jìn)行了模型參數(shù)化,創(chuàng)建了2個(gè)形狀變量。最后調(diào)用全局響應(yīng)面法以減小壓降為目標(biāo)進(jìn)行排氣歧管CFD優(yōu)化,優(yōu)化收斂后新設(shè)計(jì)排氣歧管壓降減小4.35%。研究方法對(duì)于排氣歧管CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī) 排氣歧管全局響應(yīng)面法 CFD 優(yōu)化 AcuSolve 形狀變量 HyperMorph

Abstract: In this paper, CFD optimization of exhaust manifold design on a 1.4L turbocharged gasoline engine is researched. Firstly, the flow field of the initial exhaust manifold model is analyzed based on the finite element method CFD solver--- AcuSolve,and two key optimization design regions is determined in the exhaust manifold shape according to the characteristics of the flow field. Then two shape variables are created through the parameterized model of the shape of the two regions. Finally, the CFD optimization of the exhaust manifold is conducted through global Response Surface Method(GRSM) aimed to reduce the pressure drop of the exhaust manifold. The pressure drop in the new designed exhaust manifold decreases by 4.35% through optimization. The research methods have a certain value of engineering applications for CFD optimization design in the exhaust manifold.

Key Words: Exhaust Manifold, Global Response Surface Method, CFD, AcuSolve, HyperMorph

1 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的流通性與壓損不均勻性是衡量排氣歧管設(shè)計(jì)的好壞重要指標(biāo)。排氣歧管流通性差會(huì)導(dǎo)致排氣速度降低與阻力增加,影響渦輪增壓器的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性,從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性[1-3]。排氣歧管的重要設(shè)計(jì)原則是盡量避免歧管急轉(zhuǎn)彎。一般來說,轉(zhuǎn)彎角度過小,排氣的流通性差。排氣歧管轉(zhuǎn)彎角度沒有一個(gè)明確的規(guī)定。需要通過CFD分析來進(jìn)行判斷,甚至可以采用優(yōu)化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)外形的自動(dòng)優(yōu)化。

目前國內(nèi)學(xué)者大多數(shù)是通過排氣歧管進(jìn)行流場(chǎng)分析,根據(jù)流場(chǎng)特點(diǎn)對(duì)管道進(jìn)行手動(dòng)修形提高排氣歧管設(shè)計(jì)。黃鍵等分析了柴油機(jī)排氣歧管的性能,對(duì)結(jié)果進(jìn)行了修形改進(jìn),提升了流通性和排氣均勻性[4]。黃澤好等對(duì)排氣歧管流場(chǎng)進(jìn)行了分析并提出了改進(jìn)方法[5]。但幾乎很少有學(xué)者涉及到采用優(yōu)化算法對(duì)排氣歧管進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化。

排氣歧管優(yōu)化的難點(diǎn)之一是排氣歧管管道外形復(fù)雜,管道截面變化較大,幾何特征無規(guī)律可循。從而給優(yōu)化設(shè)計(jì)的第一步——模型參數(shù)化帶來了困難。本文利用有限元前處理軟件HyperMesh中的網(wǎng)格變形模塊HyperMorph,對(duì)排氣歧管網(wǎng)格進(jìn)行變形獲得優(yōu)化分析的設(shè)計(jì)變量,從而大大降低模型參數(shù)化難度。

全局響應(yīng)面法(GRSM)相較于其它直接優(yōu)化方法具有高效、實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)[7-12]。本文將此方法應(yīng)用于排氣歧管的設(shè)計(jì)中,進(jìn)行了基于RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方程排氣歧管優(yōu)化設(shè)計(jì)。

考慮到排氣歧管通常是單支管分析且為了減少優(yōu)化計(jì)算量,本文首先對(duì)初始排氣歧管模型進(jìn)行流場(chǎng)分析,然后通過流場(chǎng)特征分析確定管道外形需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的區(qū)域,并在此區(qū)域建立優(yōu)化變量,最后調(diào)用CFD求解器AcuSolve[6]和優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)CFD優(yōu)化,減小壓降,降低排氣阻力。

2 初始模型CFD分析及優(yōu)化區(qū)域確定

2. 1 有限元網(wǎng)格模型建立有限元網(wǎng)格模型建立

有優(yōu)化前,需要對(duì)初始模型進(jìn)行流場(chǎng)分析,以評(píng)判初始排氣歧管設(shè)計(jì)的性能,并為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供對(duì)比參考。

運(yùn)用HyperMesh進(jìn)行CFD網(wǎng)格劃分,模型節(jié)點(diǎn)數(shù)94192,單元數(shù)542260,模型及包括邊界層均為全四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。該網(wǎng)格也是后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)網(wǎng)格變形的基礎(chǔ)網(wǎng)格。因此不同設(shè)計(jì)的網(wǎng)格拓?fù)浼胺植紟缀跻恢?這樣,降低了網(wǎng)格對(duì)不同設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比的影響。初始排氣歧管CFD模型如圖1所示。

基于全局響應(yīng)面法的排氣歧管流體分析優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖1 排氣歧管CFD模型

2.2 初始模型初始模型CFD分析

鑒于排氣歧管實(shí)際的工作狀態(tài)以及為了評(píng)價(jià)各排氣支管的流通性能,通常對(duì)各支管單獨(dú)打開時(shí)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。求解RANS方程,采用Spalart-Allmaras湍流模型,邊界條件為:進(jìn)口(Inlet)質(zhì)量流量0.03kg/s;出口為出流邊界條件,其余為固壁邊界條件。初始模型各支管單獨(dú)打開計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 原始模型各支管單獨(dú)打開時(shí)壓力云圖

2.3 優(yōu)化區(qū)域確定

由圖2可知,當(dāng)排氣歧管1,2,3支管單獨(dú)打開時(shí),在排氣管豎直段根部均出現(xiàn)了壓力降低的區(qū)域,該處由于管道方向變化劇烈,流速大,出現(xiàn)了一定的分離流動(dòng),因此選定該部分可作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的變形區(qū)域。

又由于排氣歧管1,2,3支管分別打開時(shí)與主管道交接拐折處氣體流動(dòng)損失程度不同,支管3內(nèi)氣體流動(dòng)損失尤其明顯。另外當(dāng)支管4單獨(dú)打開時(shí),在與豎直段交匯根部處也有一定的壓力損失?？紤]到各支管需要單獨(dú)打開模擬的工況以及CFD優(yōu)化計(jì)算量的大小,僅對(duì)影響較明顯的支管3拐折處及豎直段根部區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3模型參數(shù)化

優(yōu)化變量的創(chuàng)建采用HyperMesh中創(chuàng)建形狀變量的專門工具HyperMorph功能。

首先使用HyperMorph對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行變形,得到形狀變量(原始網(wǎng)格位置和變形后得到的新的網(wǎng)格位移之間各個(gè)節(jié)點(diǎn)自由度的矢量)。然后對(duì)該形狀變量定義上下限,這些變量在優(yōu)化過程中在上下限中變化。原始形狀與形狀變量的矢量和得到新的網(wǎng)格形狀,即新設(shè)計(jì)。在HyperMesh中創(chuàng)建形狀變量后可以直接與優(yōu)化算法建立連接,優(yōu)化過程中的變量參數(shù)會(huì)不斷改變,通過調(diào)用HyperMesh不斷更新網(wǎng)格。最后提交給CFD求解器AcuSolve進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。

針對(duì)排氣歧管支管3拐折處及豎直段根部處的形狀變化,創(chuàng)建兩個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)形狀變量,設(shè)計(jì)變量上下限均為(0,1)。如圖3所示。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)形狀變量

4 基于全局響應(yīng)面法的排氣歧管優(yōu)化

優(yōu)化問題描述:本文將進(jìn)出口壓降最小化作為優(yōu)化目標(biāo),僅單獨(dú)打開支管3,使用HyperStudy中的全局響應(yīng)面法進(jìn)行無約束優(yōu)化。

全局響應(yīng)面法(GRSM)是一種基于響應(yīng)面的方法。在每一個(gè)迭代步,基于響應(yīng)面的優(yōu)化會(huì)產(chǎn)生一些新的設(shè)計(jì)。額外會(huì)在全局空間撒點(diǎn),加入一些新的樣本點(diǎn),從而在兼顧局部搜索和全局搜索之間尋求一個(gè)較好的平衡。

全局響應(yīng)面法具有全局搜索能力,可以進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化或多目標(biāo)優(yōu)化。無論有多少個(gè)設(shè)計(jì)變量,全局響應(yīng)面法都可以從一些隨機(jī)點(diǎn)開始進(jìn)行優(yōu)化。由于它是基于響應(yīng)面的方法,因而對(duì)于計(jì)算量大的CFD優(yōu)化更為實(shí)用。全局響應(yīng)面法的優(yōu)化流程如圖4所示。

圖4 全局響應(yīng)面法優(yōu)化流程

將優(yōu)化計(jì)算模型個(gè)數(shù)設(shè)置為100次進(jìn)行優(yōu)化,圖5是全局響應(yīng)面法下產(chǎn)生的兩個(gè)變量的設(shè)計(jì)點(diǎn)。
基于全局響應(yīng)面法的排氣歧管流體分析優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖 5 變量設(shè)計(jì)點(diǎn)

圖6為目標(biāo)函數(shù)迭代收斂歷程。由圖6可知,優(yōu)化迭代33次后收斂,優(yōu)化后進(jìn)出口壓降值為4901Pa,相比原始排氣歧管模型性能提高4.35%。

圖6 目標(biāo)函數(shù)迭代收斂歷程

圖7為優(yōu)化變量d1、d2的迭代收斂過程。從圖7可以看出,變量2很快就達(dá)到了收斂,并向變量上限值收斂靠近,變量1收斂于0.482。表明,支管3拐折處盡可能的增大過渡半徑,而出口豎直段根部要適度增大過渡半徑,這樣的變形組合能實(shí)現(xiàn)4.35%的壓降。

圖7 優(yōu)化變量d1、d2的迭代收斂過程

圖8是優(yōu)化前后排氣歧管截面速度云圖對(duì)比,由圖可以看出,優(yōu)化后支管3向支管4竄氣的現(xiàn)象減輕,提高了排氣的流通性。

圖 8 優(yōu)化前后截面速度云圖

各支管單獨(dú)打開時(shí)初始模型和優(yōu)化后模型壓降對(duì)比如表1所示。

表 1 各支管單獨(dú)打開時(shí)的壓降大小[Pa]

從表1可以看出,支管3單獨(dú)打開的工況下,優(yōu)化后的支管3的壓降非常明顯,對(duì)其它支管的影響很小,幾乎可以忽略不計(jì),因此該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與思路可行。

5 結(jié)論

本文首先采用基于有限元的AcuSolve CFD求解器對(duì)排氣歧管原始模型的各支管單獨(dú)打開時(shí)進(jìn)行了CFD分析,根據(jù)流場(chǎng)特征確定了需要重點(diǎn)優(yōu)化的形狀區(qū)域,并在該區(qū)域創(chuàng)建形狀優(yōu)化變量,采用HyperStudy中的全局響應(yīng)面優(yōu)化算法以減小壓降為目標(biāo),僅單獨(dú)打開支管3進(jìn)行了管道外形優(yōu)化,優(yōu)化后壓降減小4.35%。

6參考文獻(xiàn)

[1] 李紅慶,楊萬里. 內(nèi)燃機(jī)排氣歧管熱應(yīng)力分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 2005, 26( 5) : 81- 84.

[2] 劉云卿,胡景彥等. 渦輪增壓汽油機(jī)排氣歧管的 CFD 分析及優(yōu)化改進(jìn)[C].第六屆中國智能交通年會(huì)暨第七屆國際節(jié)能與新能源汽車創(chuàng)新發(fā)展論壇優(yōu)秀論文集(新能源汽車).

[3] 鄭美茹. 基于 CFD 的汽車排氣歧管流場(chǎng)分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件. 2010,11

[4] 黃鍵,林曉輝,嚴(yán)世榕.基于 FLUENT 的柴油機(jī)排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào).2010,38(1):80-85

[5] 黃澤好,張浩亮等.某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管流場(chǎng)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化.西南大學(xué)學(xué)報(bào).2011,33(1):153-158

[6] Altair HyperWorks Help Document.

[7] 鄧?yán)?span>,喬志德,楊旭東,熊俊濤. 基于響應(yīng)面法的低速翼型氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào),

2010,28(4):430-435.

[8] 桂勁松,康海貴. 結(jié)構(gòu)可靠度分析的全局響應(yīng)面法研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2004,04.

[9] MYERSRH ,MONTGOMERYDC.Response surface methodology: process and product optim ization using designed experiments[M].Wiley&-Sons,NY,2002:1—78,351-401.