基于全局響應面法的排氣歧管流體分析優化設計

2016-09-01 by:CAE仿真在線來源:互聯網

基于全局響應面法的排氣歧管流體分析優化設計

The Exhaust Manifold CFD Optimization Design

Based on Global Response Surface Methodology

劉孟祥

湖南涉外經濟學院機械工程學院湖南長沙 410205

摘要:本文對某1.4L增壓汽油發動機排氣歧管進行了計算流體動力學(CFD)優化設計研究。首先采用基于有限元法的CFD求解器AcuSolve對初始排氣歧管模型進行了流場分析,根據流場特征確定排氣歧管外形需要重點優化設計的兩個區域。然后對區域外形進行了模型參數化,創建了2個形狀變量。最后調用全局響應面法以減小壓降為目標進行排氣歧管CFD優化,優化收斂后新設計排氣歧管壓降減小4.35%。研究方法對于排氣歧管CFD優化設計具有一定的工程應用價值。

關鍵詞:發動機排氣歧管全局響應面法 CFD 優化 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

發動機排氣歧管的流通性與壓損不均勻性是衡量排氣歧管設計的好壞重要指標。排氣歧管流通性差會導致排氣速度降低與阻力增加,影響渦輪增壓器的運轉穩定性,從而降低發動機動力性、經濟性和排放性[1-3]。排氣歧管的重要設計原則是盡量避免歧管急轉彎。一般來說,轉彎角度過小,排氣的流通性差。排氣歧管轉彎角度沒有一個明確的規定。需要通過CFD分析來進行判斷,甚至可以采用優化技術來實現外形的自動優化。

目前國內學者大多數是通過排氣歧管進行流場分析,根據流場特點對管道進行手動修形提高排氣歧管設計。黃鍵等分析了柴油機排氣歧管的性能,對結果進行了修形改進,提升了流通性和排氣均勻性[4]。黃澤好等對排氣歧管流場進行了分析并提出了改進方法[5]。但幾乎很少有學者涉及到采用優化算法對排氣歧管進行自動優化。

排氣歧管優化的難點之一是排氣歧管管道外形復雜,管道截面變化較大,幾何特征無規律可循。從而給優化設計的第一步——模型參數化帶來了困難。本文利用有限元前處理軟件HyperMesh中的網格變形模塊HyperMorph,對排氣歧管網格進行變形獲得優化分析的設計變量,從而大大降低模型參數化難度。

全局響應面法(GRSM)相較于其它直接優化方法具有高效、實用的優點[7-12]。本文將此方法應用于排氣歧管的設計中,進行了基于RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方程排氣歧管優化設計。

考慮到排氣歧管通常是單支管分析且為了減少優化計算量,本文首先對初始排氣歧管模型進行流場分析,然后通過流場特征分析確定管道外形需要優化設計的區域,并在此區域建立優化變量,最后調用CFD求解器AcuSolve[6]和優化算法實現CFD優化,減小壓降,降低排氣阻力。

2 初始模型CFD分析及優化區域確定

2. 1 有限元網格模型建立有限元網格模型建立

有優化前,需要對初始模型進行流場分析,以評判初始排氣歧管設計的性能,并為后續優化設計提供對比參考。

運用HyperMesh進行CFD網格劃分,模型節點數94192,單元數542260,模型及包括邊界層均為全四面體非結構網格。該網格也是后續優化設計網格變形的基礎網格。因此不同設計的網格拓撲及分布幾乎一致,這樣,降低了網格對不同設計結果對比的影響。初始排氣歧管CFD模型如圖1所示。

圖1 排氣歧管CFD模型

2.2 初始模型初始模型CFD分析

鑒于排氣歧管實際的工作狀態以及為了評價各排氣支管的流通性能,通常對各支管單獨打開時進行穩態分析。求解RANS方程,采用Spalart-Allmaras湍流模型,邊界條件為:進口(Inlet)質量流量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打開計算結果如圖2所示。

圖2 原始模型各支管單獨打開時壓力云圖

2.3 優化區域確定

由圖2可知,當排氣歧管1,2,3支管單獨打開時,在排氣管豎直段根部均出現了壓力降低的區域,該處由于管道方向變化劇烈,流速大,出現了一定的分離流動,因此選定該部分可作為優化設計的變形區域。

又由于排氣歧管1,2,3支管分別打開時與主管道交接拐折處氣體流動損失程度不同,支管3內氣體流動損失尤其明顯。另外當支管4單獨打開時,在與豎直段交匯根部處也有一定的壓力損失。考慮到各支管需要單獨打開模擬的工況以及CFD優化計算量的大小,僅對影響較明顯的支管3拐折處及豎直段根部區域進行優化設計。

3模型參數化

優化變量的創建采用HyperMesh中創建形狀變量的專門工具HyperMorph功能。

首先使用HyperMorph對網格進行變形,得到形狀變量(原始網格位置和變形后得到的新的網格位移之間各個節點自由度的矢量)。然后對該形狀變量定義上下限,這些變量在優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格形狀,即新設計。在HyperMesh中創建形狀變量后可以直接與優化算法建立連接,優化過程中的變量參數會不斷改變,通過調用HyperMesh不斷更新網格。最后提交給CFD求解器AcuSolve進行優化設計計算。

針對排氣歧管支管3拐折處及豎直段根部處的形狀變化,創建兩個優化設計形狀變量,設計變量上下限均為(0,1)。如圖3所示。

圖3 優化設計形狀變量

4 基于全局響應面法的排氣歧管優化

優化問題描述:本文將進出口壓降最小化作為優化目標,僅單獨打開支管3,使用HyperStudy中的全局響應面法進行無約束優化。

全局響應面法(GRSM)是一種基于響應面的方法。在每一個迭代步,基于響應面的優化會產生一些新的設計。額外會在全局空間撒點,加入一些新的樣本點,從而在兼顧局部搜索和全局搜索之間尋求一個較好的平衡。

全局響應面法具有全局搜索能力,可以進行單目標優化或多目標優化。無論有多少個設計變量,全局響應面法都可以從一些隨機點開始進行優化。由于它是基于響應面的方法,因而對于計算量大的CFD優化更為實用。全局響應面法的優化流程如圖4所示。

圖4 全局響應面法優化流程

將優化計算模型個數設置為100次進行優化,圖5是全局響應面法下產生的兩個變量的設計點。
基于全局響應面法的排氣歧管流體分析優化設計

圖 5 變量設計點

圖6為目標函數迭代收斂歷程。由圖6可知,優化迭代33次后收斂,優化后進出口壓降值為4901Pa,相比原始排氣歧管模型性能提高4.35%。

圖6 目標函數迭代收斂歷程

圖7為優化變量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現4.35%的壓降。

圖7 優化變量d1、d2的迭代收斂過程

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

圖 8 優化前后截面速度云圖

各支管單獨打開時初始模型和優化后模型壓降對比如表1所示。

表 1 各支管單獨打開時的壓降大小[Pa]

從表1可以看出,支管3單獨打開的工況下,優化后的支管3的壓降非常明顯,對其它支管的影響很小,幾乎可以忽略不計,因此該優化設計方法與思路可行。

5 結論

本文首先采用基于有限元的AcuSolve CFD求解器對排氣歧管原始模型的各支管單獨打開時進行了CFD分析,根據流場特征確定了需要重點優化的形狀區域,并在該區域創建形狀優化變量,采用HyperStudy中的全局響應面優化算法以減小壓降為目標,僅單獨打開支管3進行了管道外形優化,優化后壓降減小4.35%。

6參考文獻

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