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壓縮空氣發(fā)動機(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
壓縮空氣由高壓儲氣瓶儲存，壓力可達(dá)15MPa由于輸氣管道與閥門以及各個部件的承壓能力有限，從安全角度考慮，使用減壓閥來降低出口壓力，一般出口壓力調(diào)為2.在進(jìn)氣減壓閥與發(fā)動機(jī)之間設(shè)有一個控制閥門，用來調(diào)節(jié)壓縮空氣發(fā)動機(jī)的輸出功率，相當(dāng)于普通發(fā)動機(jī)的油門。減壓閥、控制閥門和壓縮空氣發(fā)動機(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，擅長于對流體管路系統(tǒng)進(jìn)行整體分析。它的數(shù)據(jù)庫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語言自己編寫部件模塊，構(gòu)建系統(tǒng)方便快捷。它能計算系統(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)的三維流體計算，但對閥門與發(fā)動機(jī)的建模很難進(jìn)行或計算成本太高，并不適合于系統(tǒng)的綜合分析。
考慮到本文建模的主要對象是整個發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，所以采用FLOWMASTER作為建模工具軟件，并構(gòu)建系統(tǒng)計算模型。
由于FLOWMASTER軟件中沒有發(fā)動機(jī)特征化的模塊，所以對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣門、排氣門和氣缸各部件進(jìn)行模型化時，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仿真計算模型如所示。
號復(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)動機(jī)中沒有燃燒過程，缸內(nèi)變化相對比較簡單，而且FLOWMASTER軟件本身只是做一維的分析，作為系統(tǒng)中的一個部件，進(jìn)行多維流動分析是沒有意義的，所以Engine模型采用發(fā)動機(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)動機(jī)缸內(nèi)工作模型，其輸出值由2個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)對可變壓力源的控制，計算模型就是在此部件中編寫代碼?？刂破骺梢杂凶疃?個輸入變量，它們可以是其它部件的瞬時狀態(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)動機(jī)準(zhǔn)維模型解出微分方程組，計算出缸內(nèi)的壓力、溫度和工質(zhì)質(zhì)量。發(fā)動機(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表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。
基于不同的發(fā)動機(jī)機(jī)型，hc表達(dá)式也是不同的。
和Ts由FOWMATER分析算出，經(jīng)過控制器變量輸入接口傳遞入計算模型。聯(lián)立⑴（7）式，進(jìn)行數(shù)值計算，即可得到pT、m的數(shù)值解。FLOWMASTER的計算過程是一個特殊的迭代計算過程，以設(shè)定的分析時間和步長為迭代計算的過程參數(shù)。分析從零秒開始，每個分析時刻計算完畢后增加一個時間步長，直至達(dá)到設(shè)定的分析時間值停止。
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)械功的計算公式為其中，V為氣缸容積；為缸內(nèi)壓力。
對于確定的發(fā)動機(jī)，V是曲軸轉(zhuǎn)角的函數(shù)，其表達(dá)式為一程序計算始點(diǎn)選擇氣體膨脹做功的始點(diǎn)，即進(jìn)氣門均關(guān)閉時刻。此時進(jìn)排氣質(zhì)量流量均為0，在整個膨脹過程中缸內(nèi)工質(zhì)質(zhì)量不變，而其它過程缸內(nèi)質(zhì)量均有變化，以此點(diǎn)為計算始點(diǎn)，初值計算比其它過程更容易確定，所以取它作為計算始點(diǎn)最為合適。系統(tǒng)模型計算流程如所示。
N為計算步數(shù)；TotalN為總計算步數(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)動機(jī)工作循環(huán)波動很小，可簡化為一個定壓力源，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個工作循環(huán)，時間步長為10-5s大約為0.0022曲軸轉(zhuǎn)角，稍大點(diǎn)的時間步長可能會導(dǎo)致計算無法收斂。
3計算結(jié)果及對比分析上止點(diǎn)前10CA進(jìn)氣閥開啟，此時缸內(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)了一個平臺區(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，接近一個大氣壓時壓力降低趨于平緩，最低壓力基本與一個大氣壓相等。在進(jìn)氣初期容積變化較小，近似認(rèn)為此過程為定容充氣過程。壓力升高速率比質(zhì)量升高速率大，由（6）式知，溫度上升對膨脹過程有利，整體抬升了膨脹過程的氣體溫度。