0 引言

    發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒、排放物生成關(guān)系極大，是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要因素之一。要獲得良好的燃燒過(guò)程，最有效的措施是組織空氣運(yùn)動(dòng)，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(duì)于柴油機(jī)性能影響非常顯著，因此設(shè)計(jì)出符合要求的氣道一直是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

    在氣道設(shè)計(jì)初期，試驗(yàn)方法周期長(zhǎng)、成本高，而CFD計(jì)算可以快速較準(zhǔn)確獲得流量系數(shù)和缸內(nèi)流動(dòng)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供指導(dǎo)。單相氣體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)計(jì)算較為成熟，收斂性好且可以得到較準(zhǔn)確的解，但涉及到與實(shí)驗(yàn)相匹配的各個(gè)升程下的穩(wěn)態(tài)計(jì)算case多，前后處理量大、過(guò)程繁瑣，由于STAR-CCM+的網(wǎng)格生成功能適應(yīng)性較強(qiáng)，且氣道的組成和幾何構(gòu)型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，而多面體網(wǎng)格的適應(yīng)性強(qiáng)，故采用STAR-CCM+進(jìn)行的穩(wěn)態(tài)氣道模擬分析的設(shè)置過(guò)程可以模式化，通過(guò)程序執(zhí)行，可大大降低時(shí)間成本，提高工作效率。

1 STAR-CCM+的二次開(kāi)發(fā)功能與Java語(yǔ)言簡(jiǎn)介

    由于STAR-CCM+采用Java語(yǔ)言進(jìn)行封裝，各種功能、方法、對(duì)象的調(diào)用均可通過(guò)繼承或引用CCM+程序包來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以采用Java語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)工作。

    1.1 Java語(yǔ)言簡(jiǎn)介

    Java是一種可以撰寫(xiě)跨平臺(tái)應(yīng)用軟件的面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，是由Sun Mircrosystem公司于1995年5月推出的Java程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和Java平臺(tái)(即JaSE、JavaEE、JavaME)的總和。Java技術(shù)具有卓越的通用性、高效性、平臺(tái)移植性與安全性，廣泛應(yīng)用于個(gè)人PC、數(shù)據(jù)中心、超級(jí)計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話和互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

    Java平臺(tái)由Java虛擬機(jī)(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(gè)獨(dú)立于操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)接口，可分為基本部分和擴(kuò)展部分。在硬件或者操作系統(tǒng)平臺(tái)上安裝Java平臺(tái)之后，Java應(yīng)用程序就可運(yùn)行。Java平臺(tái)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(yùn)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(shí)間，這同時(shí)也在一定程度上降低了Java程序的運(yùn)行效率。

    Java語(yǔ)言是面向?qū)ο蟮�，提供類、接口和集成等原語(yǔ)，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，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(shí)現(xiàn)機(jī)制。Java語(yǔ)言全面支持動(dòng)態(tài)綁定，是一個(gè)純的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言。

    其擁有的各項(xiàng)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(hù)費(fèi)用。Java對(duì)對(duì)象技術(shù)的全面支持和Java平臺(tái)內(nèi)嵌的API能縮短應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間并降低成本。基于其為軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程提供的有關(guān)技術(shù)與豐富的類庫(kù)，STAR-CCM+采用Java進(jìn)行封裝，故其二次開(kāi)發(fā)也采用Java語(yǔ)言。

    1.2 STAR-CCM+二次開(kāi)發(fā)方式簡(jiǎn)介

    封裝好的CCM+程序具有圖形操作簡(jiǎn)單，界面友好，易學(xué)易用等特點(diǎn)，但帶來(lái)的后果是程序開(kāi)放性不強(qiáng)，不支持代碼操作不便于進(jìn)行高級(jí)修改。為了給用戶自定義程序提供一個(gè)入口，CCM+采用star.common包中的StarMacro類來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，使得用戶可以通過(guò)編寫(xiě)StarMacro的子類來(lái)實(shí)現(xiàn)在程序當(dāng)中運(yùn)行自己編輯的宏命令。

    編輯宏文件存在兩種方式，一是通過(guò)用戶界面宏操作面板上的“錄制”按鈕自動(dòng)生成需要的代碼，一種是在對(duì)CCM+的類庫(kù)以及各個(gè)常用類的方法有所了解之后自行引入CCM+的基本類庫(kù)在集成編譯環(huán)境或者自由編輯器當(dāng)中自行編寫(xiě)開(kāi)發(fā)。在宏文件的編輯完成之后，實(shí)現(xiàn)自定義程序的運(yùn)行可以通過(guò)兩個(gè)方式，一種與之前類似，是通過(guò)用戶界面宏操作面板上的“播放”按鈕運(yùn)行程序，另一種是直接通過(guò)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(kāi)CCM+時(shí)指定宏文件執(zhí)行。

    這種做法雖然為用戶自定義程序的實(shí)現(xiàn)成為可能，但開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)之外的用戶想深入計(jì)算模型的修改目前看來(lái)仍十分艱難。并且，對(duì)于初學(xué)者而言，雖然在短時(shí)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(shí)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(jì)算、后處理過(guò)程，通過(guò)簡(jiǎn)單的錄制和播放宏或難以理想的實(shí)現(xiàn)，仍需逐一在宏文件當(dāng)中尋找并修改參數(shù)，帶來(lái)仍然不小的工作量和出錯(cuò)的概率。

    所以針對(duì)不需要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行深入修改，但工作過(guò)程高度相似化流程化的計(jì)算工作，通過(guò)合理安排宏文件的運(yùn)行組織結(jié)構(gòu)，并將參數(shù)提取成變量從方法當(dāng)中抽取出來(lái)，將方法重構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)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(cuò)幾率，還可以采用Java語(yǔ)言為其編寫(xiě)圖形化的界面交互程序，使得不了解CCM+類庫(kù)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(jìn)行初步的計(jì)算分析。

2 進(jìn)氣道穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算的流程

    進(jìn)氣道流動(dòng)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(píng)價(jià)氣道流通能力的試驗(yàn)方法仍采用在穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得的流量系數(shù)法。而評(píng)價(jià)進(jìn)氣道產(chǎn)生渦流能力的方法除在穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)量渦流比外，還有其它一些方法。在穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)上評(píng)價(jià)進(jìn)氣道進(jìn)氣渦流的方法有兩種：一是風(fēng)速儀法；二是氣流校直測(cè)矩儀法。氣道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)用壓差來(lái)度量，氣體流量用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測(cè)量。為了便于對(duì)不同形狀和尺寸的氣道流動(dòng)性能進(jìn)行比較，可以用無(wú)量綱流量系數(shù)評(píng)價(jià)不同氣門(mén)升程下氣道的流通能力，用無(wú)量綱渦流比來(lái)評(píng)價(jià)不同氣門(mén)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(jī)咨詢公司（如Ricardo、AVL等）分別定義了各自的評(píng)價(jià)參數(shù)。

    針對(duì)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的模擬計(jì)算，操作過(guò)程可以分為前處理、計(jì)算以及后處理這樣三個(gè)過(guò)程。其中，前處理主要包括導(dǎo)入幾何，劃分計(jì)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(jì)算和評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算。

    在前處理當(dāng)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(mén)、氣缸幾個(gè)區(qū)域，分別為其賦予標(biāo)準(zhǔn)名稱，之后將氣門(mén)從坐標(biāo)原點(diǎn)沿氣缸的對(duì)稱軸向下移動(dòng)當(dāng)前升程對(duì)應(yīng)的位移，并對(duì)各個(gè)零部件的外表面進(jìn)行布林運(yùn)算，生成流動(dòng)的幾何區(qū)域。

圖1 計(jì)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(zhǔn)尺寸，將氣道與座圈邊界進(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)的需要進(jìn)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(duì)，計(jì)算該升程下的流量系數(shù)以及無(wú)因次渦流量，最終根據(jù)得到的結(jié)果進(jìn)行分析并撰寫(xiě)報(bào)告。

3 用戶界面的編寫(xiě)與程序的特點(diǎn)

    針對(duì)以上工作流程可以將程序劃分為不同的模塊分別進(jìn)行編寫(xiě)，在實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)功能之后，為了方便參數(shù)的修改，通常會(huì)把需要修改的參數(shù)以變量的形式提取出來(lái)，如果要使用戶可以更直觀的修改這些變量，可以編寫(xiě)用戶輸入界面將其值寫(xiě)入相應(yīng)的屬性文件當(dāng)中，然后在子類或者宏程序當(dāng)中對(duì)屬性文件進(jìn)行讀取，進(jìn)而采用用戶指定的值來(lái)執(zhí)行各個(gè)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(gè)選項(xiàng)卡組成，分別對(duì)工作及保存路徑、氣門(mén)升程、計(jì)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，“基本設(shè)置”面板當(dāng)中發(fā)動(dòng)機(jī)及環(huán)境信息的設(shè)置與流量系數(shù)與渦流的計(jì)算有關(guān)，后處理面板實(shí)現(xiàn)的是具體結(jié)果的實(shí)時(shí)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(jì)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(guò)“基本設(shè)置”面板當(dāng)中的“檢查”按鈕和后處理面板當(dāng)中的“顯示當(dāng)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(dāng)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(guò)“流量系數(shù)”“無(wú)因次渦流量”兩個(gè)按鈕來(lái)查看所選case的相應(yīng)結(jié)果，所有已計(jì)算升程下的流量系數(shù)和無(wú)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(gè)文件當(dāng)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\(yùn)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(huì)發(fā)生一些錯(cuò)誤。由于程序是采用Java語(yǔ)言編寫(xiě)，輸出的程序包又并未添加自動(dòng)檢測(cè)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(yùn)行。

圖3 程序的運(yùn)行界面

4 具體案例分析

    采用本程序，本文對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)氣道進(jìn)行了模擬計(jì)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(zhǎng)度取1.75倍的缸徑。采用多面體網(wǎng)格方式進(jìn)行劃分，基本參照尺寸為2mm，氣門(mén)座以及氣門(mén)等有較小結(jié)構(gòu)處按照程序當(dāng)中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jì)算網(wǎng)格

    程序根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定的各壁面條件以及計(jì)算模型等無(wú)法通過(guò)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(jìn)出口壓差也按照文本框的默認(rèn)值4100Pa進(jìn)行設(shè)置，溫度在基本設(shè)置面板設(shè)置為290.00K。

    4.2 計(jì)算結(jié)果及分析

    圖為升程分別為4mm和7mm時(shí)的壓力場(chǎng)。進(jìn)氣行程中進(jìn)氣門(mén)打開(kāi)，活塞下行，在氣缸內(nèi)形成負(fù)壓。氣體進(jìn)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(mén)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(shí)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(jìn)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(mén)升程下的速度矢量分布

圖7 不同氣門(mén)升程下的湍動(dòng)能分布

    在小升程時(shí)，氣門(mén)背側(cè)沒(méi)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(guò)對(duì)比不同氣門(mén)升程下的速度分布可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣門(mén)升程較大時(shí)，缸內(nèi)的氣流速度較大，但喉口處流速低于小氣門(mén)升程時(shí)，反之亦然。并且由于氣門(mén)中心與氣缸中心在水平方向的相對(duì)位置不一致，導(dǎo)致不同側(cè)的進(jìn)氣流速不同，這種不平衡也應(yīng)當(dāng)會(huì)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(qiáng)度對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)氣量的增加，無(wú)論是在氣道內(nèi)還是氣缸內(nèi)，湍動(dòng)能都在增加。圖8給出了該氣道各氣門(mén)升程下的流量系數(shù)曲線，從曲線走勢(shì)來(lái)看，隨著氣門(mén)開(kāi)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(gè)氣門(mén)升程下的流量系數(shù)

5 結(jié)論

    為了分析示例當(dāng)中的氣道，本文共計(jì)算了六個(gè)升程的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)情況，產(chǎn)生了240個(gè)圖片和可視化文件，而其中很大量用于對(duì)比的圖片和文件最終雖然不會(huì)被報(bào)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(shí)，并減少了設(shè)置偏差導(dǎo)致計(jì)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(mén)氣道變十氣門(mén)升程的情況，如果將四氣門(mén)的宏程序進(jìn)行方法的統(tǒng)一和變量的提取，通過(guò)增加或替換操作類的方式可以大大增強(qiáng)程序的適用性；計(jì)算過(guò)程方面，改進(jìn)新增Simulation類的實(shí)例化方式（目前是通過(guò)文件地址實(shí)例化）可以拓展并行計(jì)算和計(jì)算過(guò)程的控制性，這與增加可操作氣門(mén)升程的功能也是相關(guān)的；后處理方面，通過(guò)Open Office程序包的引入和報(bào)告模板的建立，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)得也十分有限；考慮到同一單位不同產(chǎn)品的對(duì)比分析在統(tǒng)一計(jì)算模型的前提下進(jìn)行更為合理，計(jì)算模型的選取在今后的開(kāi)發(fā)中仍不建議對(duì)用戶開(kāi)放。

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本文標(biāo)題：基于CCM+的柴油機(jī)進(jìn)氣道穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算自動(dòng)化程序

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