0 引言
發(fā)動機缸內(nèi)的氣流運動對發(fā)動機的燃燒、排放物生成關(guān)系極大，是影響發(fā)動機性能的重要因素之一。要獲得良好的燃燒過程，最有效的措施是組織空氣運動，而由于氣道結(jié)構(gòu)形狀決定著吸氣渦流質(zhì)量的好壞，所以氣道對于柴油機性能影響非常顯著，因此設(shè)計出符合要求的氣道一直是內(nèi)燃機設(shè)計的一項重要內(nèi)容。
在氣道設(shè)計初期，試驗方法周期長、成本高，而CFD計算可以快速較準確獲得流量系數(shù)和缸內(nèi)流動的詳細數(shù)據(jù)，為設(shè)計與優(yōu)化提供指導(dǎo)。單相氣體的穩(wěn)態(tài)流動計算較為成熟，收斂性好且可以得到較準確的解，但涉及到與實驗相匹配的各個升程下的穩(wěn)態(tài)計算case多，前后處理量大、過程繁瑣，由于STAR-CCM+的網(wǎng)格生成功能適應(yīng)性較強，且氣道的組成和幾何構(gòu)型相對比較簡單，而多面體網(wǎng)格的適應(yīng)性強，故采用STAR-CCM+進行的穩(wěn)態(tài)氣道模擬分析的設(shè)置過程可以模式化，通過程序執(zhí)行，可大大降低時間成本，提高工作效率。
1 STAR-CCM+的二次開發(fā)功能與Java語言簡介
由于STAR-CCM+采用Java語言進行封裝，各種功能、方法、對象的調(diào)用均可通過繼承或引用CCM+程序包來實現(xiàn)，所以采用Java語言進行二次開發(fā)工作。
1.1 Java語言簡介
Java是一種可以撰寫跨平臺應(yīng)用軟件的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，是由Sun Mircrosystem公司于1995年5月推出的Java程序設(shè)計語言和Java平臺(即JaSE、JavaEE、JavaME)的總和。Java技術(shù)具有卓越的通用性、高效性、平臺移植性與安全性，廣泛應(yīng)用于個人PC、數(shù)據(jù)中心、超級計算機、移動電話和互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。
Java平臺由Java虛擬機(JVM)和Java應(yīng)用編程接口(API)構(gòu)成。Java應(yīng)用編程接口為此提供了一個獨立于操作系統(tǒng)的標準接口，可分為基本部分和擴展部分。在硬件或者操作系統(tǒng)平臺上安裝Java平臺之后，Java應(yīng)用程序就可運行。Java平臺已經(jīng)嵌入了幾乎所有操作系統(tǒng)。這樣Java程序可以只編譯一次，就在各種系統(tǒng)中運行。但是由于其每次執(zhí)行編譯后的字節(jié)碼需要消耗一定的時間，這同時也在一定程度上降低了Java程序的運行效率。
Java語言是面向?qū)ο蟮�，提供類、接口和集成等原語，為了簡單起見，只支持類之間的單繼承，但支持接口之間的多繼承，并支持類與接口之間的實現(xiàn)機制。Java語言全面支持動態(tài)綁定，是一個純的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言。
其擁有的各項優(yōu)良特性使得Java應(yīng)用具有非常好的健壯性和可靠性，這將減少應(yīng)用系統(tǒng)的維護費用。Java對對象技術(shù)的全面支持和Java平臺內(nèi)嵌的API能縮短應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)時間并降低成本�；谄錇檐浖_發(fā)過程提供的有關(guān)技術(shù)與豐富的類庫，STAR-CCM+采用Java進行封裝，故其二次開發(fā)也采用Java語言。
1.2 STAR-CCM+二次開發(fā)方式簡介
封裝好的CCM+程序具有圖形操作簡單，界面友好，易學(xué)易用等特點，但帶來的后果是程序開放性不強，不支持代碼操作不便于進行高級修改。為了給用戶自定義程序提供一個入口，CCM+采用star.common包中的StarMacro類來實現(xiàn)這一功能，使得用戶可以通過編寫StarMacro的子類來實現(xiàn)在程序當中運行自己編輯的宏命令。
編輯宏文件存在兩種方式，一是通過用戶界面宏操作面板上的“錄制”按鈕自動生成需要的代碼，一種是在對CCM+的類庫以及各個常用類的方法有所了解之后自行引入CCM+的基本類庫在集成編譯環(huán)境或者自由編輯器當中自行編寫開發(fā)。在宏文件的編輯完成之后，實現(xiàn)自定義程序的運行可以通過兩個方式，一種與之前類似，是通過用戶界面宏操作面板上的“播放”按鈕運行程序，另一種是直接通過操作系統(tǒng)指令（Windows下的cmd命令或者Linux系統(tǒng)在shell下操作）在打開CCM+時指定宏文件執(zhí)行。
這種做法雖然為用戶自定義程序的實現(xiàn)成為可能，但開發(fā)團隊之外的用戶想深入計算模型的修改目前看來仍十分艱難。并且，對于初學(xué)者而言，雖然在短時間內(nèi)掌握錄制和播放宏文件的方法并不困難，但如果要實現(xiàn)大量相似但并不完全相同模型（特別是幾何模型有差異）的設(shè)置、網(wǎng)格劃分、計算、后處理過程，通過簡單的錄制和播放宏或難以理想的實現(xiàn)，仍需逐一在宏文件當中尋找并修改參數(shù)，帶來仍然不小的工作量和出錯的概率。
所以針對不需要對計算模型進行深入修改，但工作過程高度相似化流程化的計算工作，通過合理安排宏文件的運行組織結(jié)構(gòu)，并將參數(shù)提取成變量從方法當中抽取出來，將方法重構(gòu)就可以實現(xiàn)計算過程的集成。這樣便可大大減少相似工作的重復(fù)工作量和出錯幾率，還可以采用Java語言為其編寫圖形化的界面交互程序，使得不了解CCM+類庫方法調(diào)用的用戶可以方便地修改某一類型案例的可變參數(shù)進行初步的計算分析。
2 進氣道穩(wěn)態(tài)模擬計算的流程
進氣道流動特性一般指流通能力(或阻力特性)和產(chǎn)生渦流的能力。目前，評價氣道流通能力的試驗方法仍采用在穩(wěn)流試驗臺上測得的流量系數(shù)法。而評價進氣道產(chǎn)生渦流能力的方法除在穩(wěn)流試驗臺上測量渦流比外，還有其它一些方法。在穩(wěn)流試驗臺上評價進氣道進氣渦流的方法有兩種：一是風速儀法；二是氣流校直測矩儀法。氣道內(nèi)的流動狀態(tài)用壓差來度量，氣體流量用標準流量計測量。為了便于對不同形狀和尺寸的氣道流動性能進行比較，可以用無量綱流量系數(shù)評價不同氣門升程下氣道的流通能力，用無量綱渦流比來評價不同氣門升程下氣道形成缸內(nèi)渦流的能力。世界上幾家著名的內(nèi)燃機咨詢公司（如Ricardo、AVL等）分別定義了各自的評價參數(shù)。
針對穩(wěn)態(tài)實驗進行的模擬計算，操作過程可以分為前處理、計算以及后處理這樣三個過程。其中，前處理主要包括導(dǎo)入幾何，劃分計算區(qū)域，生成網(wǎng)格，選擇并設(shè)置模型、求解器參數(shù)等步驟，后處理則涉及截面的截取，云圖、矢量圖的生成以及各種變量積分的計算和評價指標的計算。
在前處理當中，根據(jù)流體區(qū)域表面所屬的零件的不同，本文將氣道幾何分為穩(wěn)壓箱、氣道、座圈、氣門、氣缸幾個區(qū)域，分別為其賦予標準名稱，之后將氣門從坐標原點沿氣缸的對稱軸向下移動當前升程對應(yīng)的位移，并對各個零部件的外表面進行布林運算，生成流動的幾何區(qū)域。
圖1 計算分析工作流程
生成的流體區(qū)域按照幾何表面區(qū)分邊界，之后設(shè)置面網(wǎng)格模型與基準尺寸，將氣道與座圈邊界進行局部加密，設(shè)置并重新劃分面網(wǎng)格完畢后選取體網(wǎng)格模型繼續(xù)生成多面體網(wǎng)格，在完成網(wǎng)格劃分之后選取物理模型以及進行相應(yīng)的求解器參數(shù)設(shè)置。最后，根據(jù)穩(wěn)態(tài)氣道實驗的需要進行后處理，例如按要求選取截面查看云圖或者矢量圖，統(tǒng)一云圖的上下界便于其比對，計算該升程下的流量系數(shù)以及無因次渦流量，最終根據(jù)得到的結(jié)果進行分析并撰寫報告。
3 用戶界面的編寫與程序的特點
針對以上工作流程可以將程序劃分為不同的模塊分別進行編寫，在實現(xiàn)了相應(yīng)功能之后，為了方便參數(shù)的修改，通常會把需要修改的參數(shù)以變量的形式提取出來，如果要使用戶可以更直觀的修改這些變量，可以編寫用戶輸入界面將其值寫入相應(yīng)的屬性文件當中，然后在子類或者宏程序當中對屬性文件進行讀取，進而采用用戶指定的值來執(zhí)行各個命令和方法。
根據(jù)功能區(qū)域的不同，本文的用戶面板由四個選項卡組成，分別對工作及保存路徑、氣門升程、計算參數(shù)進行設(shè)置，“基本設(shè)置”面板當中發(fā)動機及環(huán)境信息的設(shè)置與流量系數(shù)與渦流的計算有關(guān)，后處理面板實現(xiàn)的是具體結(jié)果的實時調(diào)用，如圖所示。本程序允許異地調(diào)用和保存幾何文件及結(jié)果文件，待處理的幾何文件不必保存在工作目錄下，計算得到的結(jié)果文件(.sim后綴文件)和各截面云圖矢量圖也可以保存在用戶指定的目錄下。
通過“基本設(shè)置”面板當中的“檢查”按鈕和后處理面板當中的“顯示當前”按鈕，可以顯示指定幾何保存路徑下各幾何零件的組裝效果以及當前選擇的結(jié)果截圖。在后處理面板上執(zhí)行了“處理結(jié)果并保存”按鈕之后，可以通過“流量系數(shù)”“無因次渦流量”兩個按鈕來查看所選case的相應(yīng)結(jié)果，所有已計算升程下的流量系數(shù)和無因次渦量結(jié)果均保存在工作目錄下的“...\Cf.properties”以及“...\swirlFile.properties”兩個文件當中，用戶可以根據(jù)需要使用。
圖2 幾何模型檢查窗口
程序?qū)τ谶\行環(huán)境有一定要求，首先用戶的PC上需要安裝STAR-CCM+8.02和任意版本的STAR-View+，由于CCM+不同版本的程序包之間存在一定差異，所以如果安裝的版本不是8.02版本，程序有可能會發(fā)生一些錯誤。由于程序是采用Java語言編寫，輸出的程序包又并未添加自動檢測并安裝JRE(Java Runtime Environment)的功能，所以程序必須在安裝了JRE的環(huán)境下運行。
圖3 程序的運行界面
4 具體案例分析
采用本程序，本文對某發(fā)動機氣道進行了模擬計算分析。
4.1 模型設(shè)置及網(wǎng)格情況
流體域的幾何模型如圖所示。氣道前端是穩(wěn)壓箱，氣缸長度取1.75倍的缸徑。采用多面體網(wǎng)格方式進行劃分，基本參照尺寸為2mm，氣門座以及氣門等有較小結(jié)構(gòu)處按照程序當中根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定的比例采取了網(wǎng)格加密措施，網(wǎng)格總數(shù)為582145，網(wǎng)格質(zhì)量全部合格，良好質(zhì)量網(wǎng)格占98.848%。
圖4 計算網(wǎng)格
程序根據(jù)經(jīng)驗選定的各壁面條件以及計算模型等無法通過用戶面板修改，故仍舊按照統(tǒng)一設(shè)置，這樣也有利于模型的統(tǒng)一。進出口壓差也按照文本框的默認值4100Pa進行設(shè)置，溫度在基本設(shè)置面板設(shè)置為290.00K。
4.2 計算結(jié)果及分析
圖為升程分別為4mm和7mm時的壓力場。進氣行程中進氣門打開，活塞下行，在氣缸內(nèi)形成負壓。氣體進入氣道后，由于氣道截面逐漸減小，氣道內(nèi)的阻力逐漸增加，順著氣流方向，氣道內(nèi)壓力逐漸減小，氣道出口即氣門座附近壓力最小，而在該處氣道內(nèi)阻力最大，壓力損失也大。
圖為4mm升程和7mm升程時氣道和氣缸內(nèi)的速度云圖。喉口處氣體被壓縮，速度急劇增加，而氣體進入氣缸后，由于截面積增大，流速逐漸減小。
圖5 不同升程下的壓力分布
圖6 不同氣門升程下的速度矢量分布
圖7 不同氣門升程下的湍動能分布
在小升程時，氣門背側(cè)沒有流速突降區(qū)域，大升程下存在這一區(qū)域，這一回流區(qū)域是邊界層分離所造成的。通過對比不同氣門升程下的速度分布可以發(fā)現(xiàn)，當氣門升程較大時，缸內(nèi)的氣流速度較大，但喉口處流速低于小氣門升程時，反之亦然。并且由于氣門中心與氣缸中心在水平方向的相對位置不一致，導(dǎo)致不同側(cè)的進氣流速不同，這種不平衡也應(yīng)當會影響到缸內(nèi)渦流的形成，決定渦流的形狀與漩渦中心的位置。
從圖7不同升程下的湍能強度對比中可以發(fā)現(xiàn)，隨著進氣量的增加，無論是在氣道內(nèi)還是氣缸內(nèi)，湍動能都在增加。圖8給出了該氣道各氣門升程下的流量系數(shù)曲線，從曲線走勢來看，隨著氣門開度的增加，流量增加的幅度基本呈線性關(guān)系增加。
圖8 各個氣門升程下的流量系數(shù)
5 結(jié)論
為了分析示例當中的氣道，本文共計算了六個升程的穩(wěn)態(tài)流動情況，產(chǎn)生了240個圖片和可視化文件，而其中很大量用于對比的圖片和文件最終雖然不會被報告采用卻仍需要制作以備篩選，程序的使用節(jié)約了大量工時，并減少了設(shè)置偏差導(dǎo)致計算條件不統(tǒng)一而返工的情況。
6 展望
在前處理方面，目前程序只能處理兩氣門氣道變十氣門升程的情況，如果將四氣門的宏程序進行方法的統(tǒng)一和變量的提取，通過增加或替換操作類的方式可以大大增強程序的適用性；計算過程方面，改進新增Simulation類的實例化方式（目前是通過文件地址實例化）可以拓展并行計算和計算過程的控制性，這與增加可操作氣門升程的功能也是相關(guān)的；后處理方面，通過Open Office程序包的引入和報告模板的建立，可以進一步實現(xiàn)更標準更終端的結(jié)果輸出，目前階段的程序?qū)τ谟脩籼崛〗Y(jié)果的靈活性實現(xiàn)得也十分有限；考慮到同一單位不同產(chǎn)品的對比分析在統(tǒng)一計算模型的前提下進行更為合理，計算模型的選取在今后的開發(fā)中仍不建議對用戶開放。
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本文標題：基于CCM+的柴油機進氣道穩(wěn)態(tài)模擬計算自動化程序
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