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汽车进气岐管-CAESES仿真优化经验分享

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发表于 2019-1-25 15:02:10 | 显示全部楼层 |阅读模式
进气岐管是汽车进气管之后到气缸盖进气道之间的进气管路,对于气道燃油喷射式发动机或者柴油机来说,它的功能是将洁净的空气持续分配给各缸进气道。在脉冲式吸气过程中,为了各个气缸燃烧状况相同,要求每个气缸的进气状况尽可能保持一致(图1所示)。

图1  进气岐管-来自网络

因此,在进气岐管设计时除了减少流动损失之外,还要求各缸进气口流速和压力均匀。在仿真设计过程中,因进气岐管造型复杂,通过单一参数的调节往往无法得到理想方案,且耗时耗力。本文采用CAESES软件对进气岐管进行全参数化建模,链接商业仿真软件(如Star-CCM+)对多个关键参数进行同时优化,通过自动化仿真计算快速高效地得到了优化方案。

本次分享的输入条件为进气歧管,对已有参考模型进行参数优化建模仿真。整个仿真优化过程依托于CAESES仿真优化软件进行,主要分为CAESES参数化建模、CFD仿真及脚本录制、软件链接仿真优化三个部分。希望本人的优化尝试能让大家对CAESES这款软件更为了解,同时也能为进气岐管或是类似模型的仿真优化提供思路。

一、CAESES参数化建模

本方案的进气歧管连接有4个气缸,进气管与4个出气口之间通过一个腔室进行串联,同时实现气流分配。整个CAESES参数化建模过程主要为8个步骤(如图2所示),参考已有模型尺寸及位置,分别创建入口段、中间腔体和4个出口段;接着创建入口和出口分别与中间腔体之间的连接段;然后对中间腔体和其他连接曲面进行分割及闭合处理,并得到完整进气岐管模型。

图2 进气歧管参数化建模过程

模型变形,除了全参数化建模,还可以针对已有模型通过“Free Form Deformation”自由变形、直接参数控制、间接关联控制等多种方法对现有模型进行外形变化(如图3所示),通过对关键位置的变形控制获取不同方案的CFD结果,从而达到优化的目的。

                        (a)Free Form Deformation               (b)直接参数控制                         (c)间接关联控制

二、软件链接仿真优化

网格生成及CFD计算采用现在较为流行的商业仿真软件Star-CCM+,参数化建模生成 “stl”数模,仿真计算流程生成“java”脚本文件,整个仿真优化流程如图4所示。使用CAESES强大的外部软件链接及优化功能,即可将两个仿真软件进行串联,实现方案的自动仿真优化(链接文件如图5所示)。

图4 仿真优化流程

图5 建模-仿真软件链接

CAESES包含了单目标、多目标、遗传算法等多种优化算法。本方案在保证速度均匀性的条件下,降低压损为目标参数进行优化。选择对模型以及气流均匀性影响较大的10个参数变量,先用sobol算法进行设计参数的敏感度分析,然后在sobol结果(20个)基础上选择优化算法(如T-search算法)进行进一步优化。通过1天的CFD仿真计算,在80个自动优化方案中得到了最终方案(如图6所示)。

图6 T-search仿真数据

图7为原始方案与优化方案的仿真流场对比结果,通过参数改进,入口与中间腔体连接区域的流动更为均匀,最终对4个出气口的均匀性有所提高前提下,压损降低了3%。

整个进气岐管方案的仿真优化时间共为3天(包括参数化建模),可见CAESES软件对于复杂变形模型的优化也具有较大优势,通过参数关联以及敏感性分析,可快速高效地实现仿真优化目的。

图7 流场对比图(速度)

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