Boost基本理论介绍

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1、1BOOST 基本理论介绍1. 引言BOOSTBOOST用来模拟各种类型发动机的工作过程,如四冲程或二冲程,火花塞点火或自动点火。应用范围从 小型的摩托车或工业用发动机到大型的海上推进器用发动机。BOOSTBOOST还可以用来模拟空气动力系统的特性。BOOSTBOOST程序包含有一个交互的预处理程序,它用来准备主计算程序的数据输入。结果分析由一个交互 的后处理程序完成。 AVLAVL工作空间图形用户界面工作空间图形用户界面一个新的预处理工具的特点是模型编辑和指导数据输入。通过点击鼠标从 所显示的元件树上选择需要的元件,并用管元件将它们连起来,发动机的计算模型即被建立起来。用这种 方式, 即使是

2、很复杂的发动机配置也可以容易的建立模型，因为有大量的元件可被应用。 主程序对所有可用元件提供最优模拟计算。管道中的流动被视为一维,这就意味着从解气体动力方程 所得到的压力、温度和流速代表着管道横界面的平均值。由于三维流动影响导致的处于发动机特殊部位 的流动损失由适当的流动系数来修正。如果需要对三维流动作详细考虑,可以连接到AVL的三维流动模拟 程序FIREFIRE中进行。这就是所说,发动机关键部位的多维模拟可以和其它地方的一维模拟结合起来。该特点 对于气缸里的进气运动,二冲程发动机的扫气和复杂的消音元件的模拟具有特殊用处。 PP2PP2和PP3PP3后处理工具用来分析模拟计算所得到的大量数据。

3、所有结果都可以和测量得到的或先前计算 的结果进行比较。另外，还可以对所选择的结果进行形象的显示，以研究用户问题的最佳解决方案。报 告样板可以用来帮助准备报告。1. 1 本书内容本书讲述使用BOOST4.0版程序进行发动机循环模拟的基本概念和方法。1. 2 用户资历本手册的用户： 必须具备基本的UNIX和Microsoft Windows知识。 必须会基本的发动机循环模拟计算。1. 3各种标志以下标志通用于整个手册。在操作、使用系统及其组件时必须严格遵守安全警告。警告警告: : 警告描述了如果不仔细观察或补救的话将导致对数据的损失或破坏 的条件操作过程。注：注：注意，提供了重要的补充信息。惯用表

4、示惯用表示意义意义斜体字表强调，用于介绍一个新术语或手册的标题。单一空格显示一个命令、一段程序或一个文件名、消息 ，在屏幕上显示输入/输 出,显示文件内容或物件名称。2Screen-keysScreen-keysSCREENSCREEN字形用来表窗口名称和键盘的键,比如提示你应该打一个命令并 敲击输入输入键。ManuManu OptOptMenuOptMenuOpt字形用来表示菜单选项子菜单和屏幕按钮的名称。1.4提供的文件BOOSTBOOST提供的文件适用于PDF格式,有下列系列软件组成： 版本说明；用户指南；入门；示例；后处理；后处理入门；线性声学； 1维3维耦合计算；热力计算网格生成器（

5、TNG）用户指南；热力计算网格生成器（TNG）入门 ； AVL工作空间安装指南(Windows NT和UNIX)； AVL工作空间GUI介绍；FLEXlm用户指南；1.5 平台BOOST求解器被运用在下列平台上：平台平台操作系统操作系统版本版本BinBin目录目录注释注释WindowsNT4.0I386-unknown-winntIRIX646.5mips2-sgi-irix6.5mips4 N32SiliconIRIX646.5mips4-sgi-irix6.5-smpmips4 64bitHP-UX10.20pa-risc2.0-hp-hpux10.20PA-RISC 2.0Hewlett

6、 Packard HP-UX11.00pa-risc2.0-hp-hpux11.00PA-RISC 2.0OSF14.0.878alfa-dec-osf4CompaqOSF15.10alfa.ev6-dec-osf4ev6IBMAIX4.3.3.0rs6000.3-ibm-aix4.3SUNSolaris5.70sparc-sun-solaris2.7LinuxLinux2.2.16I586-linux-glibcGcc 2.95.21.6BOOST_HOME 环境变量为了BOOSTBOOST能够正确的找到所需要的文件(比如气体属性文件),必须正确设置环境变量BOOST_HOMEBOOST_H

7、OME。这些 在安装时应该自动完成,并指向适当平台的bin目录。在运行BOOST之前需要先检查环境变量的值。例如, 一个NT安装可以有以下的设置： 变量：BOOST_HOME 值： C:AVLBOOSTv4.0binbin.i386-unknown-winnt42.理论基础为了更好的理解AVLAVL BOOSTBOOST 程序,本章概括出了包括所有可用元件的基本方程式的理论背景。但本章 并不是要成为一本热力学教科书,也并不包涵发动机循环模拟所有方面的内容。2.1 气缸2.1.1 高压循环,基本方程内燃机高压循环的计算基于热力学第一定律：(2.1.1)式中：3图图 2-1:2-1:气缸内能量平衡

8、图气缸内能量平衡图( (高压循环高压循环) )：气缸里工质内能变化；：工质对活塞做的功；：喷入燃料燃烧放出的热量 dumdc)( ddVp ddQF；：工质与气缸盖、缸套、活塞进行热交换的热量； ：由于漏气而引起的焓流；ddQw ddmhBB BB：气缸里工质的质量；u ：比内能；：气缸内压力；V ：气缸容积； 喷入燃料燃烧放出的热cmcpFQ量； 壁热损失； 曲轴转角； 漏气焓；：气质量流。wQBBhddmBB热力学第一定律内容为：气缸里的内能变化等于活塞功、燃料燃烧放出的热量、壁热损失和漏气引气缸里的内能变化等于活塞功、燃料燃烧放出的热量、壁热损失和漏气引 起的焓流的代数和。起的焓流的代数

9、和。 方程(2.1.1)对燃料在气缸内部和外部混合的发动机都适用。但是,考虑到由于燃烧而引起气体成分 的变化，对于外部混合和内部混合的发动 机采用不同的处理方式。 对于内部混合的发动机，假定： 进入气缸的燃料被立即燃烧 燃烧产物与气缸里的剩余气体立即混合 形成新的均匀统一混合气体 缸内混合气的空燃比的值从燃烧开始到 燃烧结束不断减小。 对于外部混合的发动机，假定： 在燃烧开始前混合物是均匀混合物 在燃烧过程中空燃比是恒定的 即使成分不同，已燃和未燃充气也具有 相同的压力和温度。 为了求解此方程，需要建立燃烧过程、 气缸壁传热和在一定压力、温度、气体组 成下的气体性质的模型。 和气体方程(2.1

10、.2) 一起，建立压力、 温度和密度的关系。（2.1.2）方程式（2.1.2）和关于气缸内温度的方程（2.1.3）可以用龙格库塔（Runge-Kutta）方法解出。只要 气缸内的温度知道，气缸压力可以由气体方程得到。2.1.1.1 燃烧模型 气缸内燃料的燃烧是一个化学过程，它受许多参数影响。其中之一是空气和燃料的比例（空燃比）。 如果实际空气比理论需要的多，使燃料充分燃烧，则叫稀燃。反之则叫富燃。在燃烧后既没有未燃燃料 剩余也没有空气剩余的空气和燃料的比例叫做化学计量空燃比化学计量空燃比。下面的方程说明了1kg燃料完全燃烧所需 要的化学计量的空气量： 对于稀燃，一个循环释放的热量可以从气缸里的

11、燃料量和其低热值计算得到。低热值是一种燃料属 性，可以从下面的公式计算得到：4kJ/kg (2.1.4)wosnhcHu2440108001046562809387034835式中：Hu 低热值；c 燃料中碳的质量分数；h 燃料中氢的质量分数；o 燃料中氧的质量分数； s 燃料中硫的质量分数；n 燃料中氮的质量分数；w 燃料中水的质量分数。 在富燃中，在循环中产生的总热量由气缸中的空气量决定。即使实际空气比理论所需少，燃料也会 全部被转换成燃烧产物。 但是，在富燃和稀燃的条件下燃烧产物的组成成分是不同的。燃烧产物的组成成分由所用的燃料类 型、空燃比、压力和温度决定。如果有足够的时间达到化学平衡

12、，产物的成分组成总是一样的。 事实上，在真实的发动机条件下，上述假设的完全燃烧过程是不可能达到的。对过量空气系数为1.0 的燃烧过程来说，这是非常重要的（过量空气系数的定义为：气缸内实际的空气量与理论燃烧所需的空 气量之比）。因此，BOOSTBOOST程序中包含了有关于燃料转换因子的模型，以考虑过量空气系数在0.9到1.2之 间的不完全燃烧过程。 图2-2表示了汽油机在一定充量的空气下平均有效压力(IMEP)和过量空气系数之间的关系。过量空气系数过量空气系数- 图图2-22-2：过量空气系数对平均有效压力的影响：过量空气系数对平均有效压力的影响2.1.1.2.燃烧放热率的计算 建立燃烧过程模型

13、的最简单的方法是直接指定放热率。 发动机在某一运行点的放热率可由测量的缸内压力曲线计算得到。通过对高温循环的逆计算，例如，通过解方程2.1.2或者2.1.3，用 代替 ，即可得到相应曲轴转角的放热率。为了简化计算，必ddQF ddTc须指定无量纲的热输入特性。通过计算循环总放热量由气缸内的燃料量和空燃比确定，BOOST计算出 每度曲轴转角所释放的热量。 可以用以下方法直接输入放热率曲线： 1表格表格 通过指定与曲轴转角对应的参考点可以得到近似的放热曲线。指定y轴坐标范围以得到曲线下的一个 区域。两点之间的值可以通过线性插值得到。 2. 韦伯函数（韦伯函数（VibeVibe） 韦伯函数C13经常

14、用来近似描述发动机真实的放热特征：（2.1.5）5(2.1.6)(2.1.7) 式中：Q 燃料燃烧放出的总热量； 曲轴转角；燃烧开始时的曲轴转角；o燃烧持续期；m 形状参数；a 完全燃烧的Vibe参数，a=6.9。o图图2-32-3：对一条测量放热率曲线的近似：对一条测量放热率曲线的近似 对vibe函数积分，得到从燃烧开始时刻起至某一时刻所烧掉的燃油质量分数，即已燃质量分数x ：图2-3显示了用vibe函数对直喷式柴油机真实放热率曲线的近似模拟。通过对测得的放热曲线的最小 二乘法处理得到始燃期、燃烧持续期和形状参数。 在图24中显示了vibe形状参数m对vibe函数图形形状的影响。6图图2-4

15、2-4：形状参数：形状参数mm的影响的影响 3.3. 韦伯双区模型（韦伯双区模型（VibeVibe TwoTwo ZoneZone） 对于外部混合的发动机，可以选择一个双区模型。使用vibe函数计算放热率和已燃质量分数。但取 消关于已燃和未燃充气有相同温度的假设，取而代之的是用热力学第一定律来分别分析已燃充气和未燃 充气C10。（2.1.9）(2.1.10)下标 b 表示已燃区；下标 u 表示未燃区。式子表示新鲜充量在向燃烧产物转化的过程中，从未燃区流向已燃区的焓流。并忽略两区之ddmhB u间的热流。另外，两区总容积的变化必须与气缸容积的变化相等，两区容积之和必须和气缸容积相等。（2.1.1

16、1）(2.1.12) 将式子（2.1.11）带入(2.1.9)中，并使用基本的代数运算可得到已燃区温度随曲轴转角的变化率。（2.1.13）其中：，。 同样可以建立一个类似的关于未燃区温度的方程。（2.1.14）每一时间步已燃混合气的量可由用户指定的Vibe函数得到。 对于其它的条件，像壁面热损失等，可 以在二区间上适当分配，建立与单区模型相似的模型。7敲缸模型计算出发动机不敲缸运行所需要的最小辛烷值。如果未燃区中的某点的点火延迟期比燃烧 火焰到达该点的时间长，则发生敲缸现象。 （2.1.15）敲缸模型的点火延迟期由燃料的辛烷值和气体属性决定。（2.1.16）点火延迟ms；ON 燃料的辛烷值；p 压力atm；T 温度K。iDB, n, a, A 模型常量：A = 1