基于全局响应面法的排气歧管流体分析优化设计

2016-09-01 by:CAE仿真在线来源:互联网

基于全局响应面法的排气歧管流体分析优化设计

The Exhaust Manifold CFD Optimization Design

Based on Global Response Surface Methodology

刘孟祥

湖南涉外经济学院机械工程学院湖南长沙 410205

摘要:本文对某1.4L增压汽油发动机排气歧管进行了计算流体动力学(CFD)优化设计研究。首先采用基于有限元法的CFD求解器AcuSolve对初始排气歧管模型进行了流场分析,根据流场特征确定排气歧管外形需要重点优化设计的两个区域。然后对区域外形进行了模型参数化,创建了2个形状变量。最后调用全局响应面法以减小压降为目标进行排气歧管CFD优化,优化收敛后新设计排气歧管压降减小4.35%。研究方法对于排气歧管CFD优化设计具有一定的工程应用价值。

关键词:发动机排气歧管全局响应面法 CFD 优化 AcuSolve 形状变量 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

发动机排气歧管的流通性与压损不均匀性是衡量排气歧管设计的好坏重要指标。排气歧管流通性差会导致排气速度降低与阻力增加,影响涡轮增压器的运转稳定性,从而降低发动机动力性、经济性和排放性[1-3]。排气歧管的重要设计原则是尽量避免歧管急转弯。一般来说,转弯角度过小,排气的流通性差。排气歧管转弯角度没有一个明确的规定。需要通过CFD分析来进行判断,甚至可以采用优化技术来实现外形的自动优化。

目前国内学者大多数是通过排气歧管进行流场分析,根据流场特点对管道进行手动修形提高排气歧管设计。黄键等分析了柴油机排气歧管的性能,对结果进行了修形改进,提升了流通性和排气均匀性[4]。黄泽好等对排气歧管流场进行了分析并提出了改进方法[5]。但几乎很少有学者涉及到采用优化算法对排气歧管进行自动优化。

排气歧管优化的难点之一是排气歧管管道外形复杂,管道截面变化较大,几何特征无规律可循。从而给优化设计的第一步——模型参数化带来了困难。本文利用有限元前处理软件HyperMesh中的网格变形模块HyperMorph,对排气歧管网格进行变形获得优化分析的设计变量,从而大大降低模型参数化难度。

全局响应面法(GRSM)相较于其它直接优化方法具有高效、实用的优点[7-12]。本文将此方法应用于排气歧管的设计中,进行了基于RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方程排气歧管优化设计。

考虑到排气歧管通常是单支管分析且为了减少优化计算量,本文首先对初始排气歧管模型进行流场分析,然后通过流场特征分析确定管道外形需要优化设计的区域,并在此区域建立优化变量,最后调用CFD求解器AcuSolve[6]和优化算法实现CFD优化,减小压降,降低排气阻力。

2 初始模型CFD分析及优化区域确定

2. 1 有限元网格模型建立有限元网格模型建立

有优化前,需要对初始模型进行流场分析,以评判初始排气歧管设计的性能,并为后续优化设计提供对比参考。

运用HyperMesh进行CFD网格划分,模型节点数94192,单元数542260,模型及包括边界层均为全四面体非结构网格。该网格也是后续优化设计网格变形的基础网格。因此不同设计的网格拓扑及分布几乎一致,这样,降低了网格对不同设计结果对比的影响。初始排气歧管CFD模型如图1所示。

图1 排气歧管CFD模型

2.2 初始模型初始模型CFD分析

鉴于排气歧管实际的工作状态以及为了评价各排气支管的流通性能,通常对各支管单独打开时进行稳态分析。求解RANS方程,采用Spalart-Allmaras湍流模型,边界条件为:进口(Inlet)质量流量0.03kg/s;出口为出流边界条件,其余为固壁边界条件。初始模型各支管单独打开计算结果如图2所示。

图2 原始模型各支管单独打开时压力云图

2.3 优化区域确定

由图2可知,当排气歧管1,2,3支管单独打开时,在排气管竖直段根部均出现了压力降低的区域,该处由于管道方向变化剧烈,流速大,出现了一定的分离流动,因此选定该部分可作为优化设计的变形区域。

又由于排气歧管1,2,3支管分别打开时与主管道交接拐折处气体流动损失程度不同,支管3内气体流动损失尤其明显。另外当支管4单独打开时,在与竖直段交汇根部处也有一定的压力损失。考虑到各支管需要单独打开模拟的工况以及CFD优化计算量的大小,仅对影响较明显的支管3拐折处及竖直段根部区域进行优化设计。

3模型参数化

优化变量的创建采用HyperMesh中创建形状变量的专门工具HyperMorph功能。

首先使用HyperMorph对网格进行变形,得到形状变量(原始网格位置和变形后得到的新的网格位移之间各个节点自由度的矢量)。然后对该形状变量定义上下限,这些变量在优化过程中在上下限中变化。原始形状与形状变量的矢量和得到新的网格形状,即新设计。在HyperMesh中创建形状变量后可以直接与优化算法建立连接,优化过程中的变量参数会不断改变,通过调用HyperMesh不断更新网格。最后提交给CFD求解器AcuSolve进行优化设计计算。

针对排气歧管支管3拐折处及竖直段根部处的形状变化,创建两个优化设计形状变量,设计变量上下限均为(0,1)。如图3所示。

图3 优化设计形状变量

4 基于全局响应面法的排气歧管优化

优化问题描述:本文将进出口压降最小化作为优化目标,仅单独打开支管3,使用HyperStudy中的全局响应面法进行无约束优化。

全局响应面法(GRSM)是一种基于响应面的方法。在每一个迭代步,基于响应面的优化会产生一些新的设计。额外会在全局空间撒点,加入一些新的样本点,从而在兼顾局部搜索和全局搜索之间寻求一个较好的平衡。

全局响应面法具有全局搜索能力,可以进行单目标优化或多目标优化。无论有多少个设计变量,全局响应面法都可以从一些随机点开始进行优化。由于它是基于响应面的方法,因而对于计算量大的CFD优化更为实用。全局响应面法的优化流程如图4所示。

图4 全局响应面法优化流程

将优化计算模型个数设置为100次进行优化,图5是全局响应面法下产生的两个变量的设计点。
基于全局响应面法的排气歧管流体分析优化设计

图 5 变量设计点

图6为目标函数迭代收敛历程。由图6可知,优化迭代33次后收敛,优化后进出口压降值为4901Pa,相比原始排气歧管模型性能提高4.35%。

图6 目标函数迭代收敛历程

图7为优化变量d1、d2的迭代收敛过程。从图7可以看出,变量2很快就达到了收敛,并向变量上限值收敛靠近,变量1收敛于0.482。表明,支管3拐折处尽可能的增大过渡半径,而出口竖直段根部要适度增大过渡半径,这样的变形组合能实现4.35%的压降。

图7 优化变量d1、d2的迭代收敛过程

图8是优化前后排气歧管截面速度云图对比,由图可以看出,优化后支管3向支管4窜气的现象减轻,提高了排气的流通性。

图 8 优化前后截面速度云图

各支管单独打开时初始模型和优化后模型压降对比如表1所示。

表 1 各支管单独打开时的压降大小[Pa]

从表1可以看出,支管3单独打开的工况下,优化后的支管3的压降非常明显,对其它支管的影响很小,几乎可以忽略不计,因此该优化设计方法与思路可行。

5 结论

本文首先采用基于有限元的AcuSolve CFD求解器对排气歧管原始模型的各支管单独打开时进行了CFD分析,根据流场特征确定了需要重点优化的形状区域,并在该区域创建形状优化变量,采用HyperStudy中的全局响应面优化算法以减小压降为目标,仅单独打开支管3进行了管道外形优化,优化后压降减小4.35%。

6参考文献

[1] 李红庆,杨万里. 内燃机排气歧管热应力分析[J]. 内燃机工程, 2005, 26( 5) : 81- 84.

[2] 刘云卿,胡景彦等. 涡轮增压汽油机排气歧管的 CFD 分析及优化改进[C].第六届中国智能交通年会暨第七届国际节能与新能源汽车创新发展论坛优秀论文集(新能源汽车).

[3] 郑美茹. 基于 CFD 的汽车排气歧管流场分析[J]. 内燃机与配件. 2010,11

[4] 黄键,林晓辉,严世榕.基于 FLUENT 的柴油机排气歧管内流场的数值模拟[J].福州大学学报.2010,38(1):80-85

[5] 黄泽好,张浩亮等.某发动机排气歧管流场分析与结构优化.西南大学学报.2011,33(1):153-158

[6] Altair HyperWorks Help Document.

[7] 邓磊,乔志德,杨旭东,熊俊涛. 基于响应面法的低速翼型气动优化设计[J].空气动力学学报,

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[8] 桂劲松,康海贵. 结构可靠度分析的全局响应面法研究[J]. 建筑结构学报,2004,04.

[9] MYERSRH ,MONTGOMERYDC.Response surface methodology: process and product optim ization using designed experiments[M].Wiley&-Sons,NY,2002:1—78,351-401.