四气门发动机进排气过程模拟

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本教程介绍了三维几何对称发动机的进排气过程模拟。

1 启动FLUENT并导入网格

（1）在Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 19.2→Fluid Dynamics→FLUENT 19.2命令，启动FLUENT 19.2。

（2）在FLUENT Launcher界面中的Dimension中选择3D，在Option中选择Double Precision，在Display Options中勾选Display Mesh After Reading，Embed Graphics Windows和Workbench Color Scheme，单击OK按钮进入FLUENT主界面。

（3）在FLUENT主界面中，单击主菜单中File→Read→Mesh按钮，弹出Select File（导入网格）对话框，选择文件名为IC_tutorial_II.msh.gz的网格文件，单击OK按钮便可导入网格。

（4）导入网格后，在图形显示区将显示几何模型。

各个区域的网格类型如下图所示。

各个区域的边界说明如下图所示。

（5）单击主菜单中Mesh→Check按钮，检查网格质量，确保不存在负体积。

（6）单击主菜单中File→Write→Case按钮，弹出Select File（保存项目）对话框，在Case File中填入IC_tutorial_II，单击OK按钮便可保存项目。

2 设置分界面

（1）在命令结构树中Boundary Conditions中，右键单击intf-int-exvalve-ib-fluid-ib选择按钮Type，改变边界条件为interface。

同样方法，改变intf-int-exvalve-ib-fluid-port、intf-int-exvalve-ob-fluid-port、intf-int-exvalve-ob-fluid-vlayer、intf-int-invalve-ib-fluid-ib、intf-int-invalve-ib-fluid-port、intf-int-invalve-ob-fluid-port、intf-int-invalve-ob-fluid-vlayer 、intf-invalve-ib-fluid-ib、intf-invalve-ib-fluid-ob-quad、intf-invalve-ib-fluid-ob-tri的边界条件类型为interface。

（2）单击主菜单中Setting Up Domain→Interface→Mesh按钮，弹出Mesh Interfaces（网格分界面）面板。

（3）单击Manual Create按钮，弹出Create/Edit Mesh Interfaces（创建/编辑网格分界面）对话框，创建以下对应的Interface。

3 定义求解器

（1）单击命令结构树中General按钮，弹出General（总体模型设定）面板。在SolverTime中选择Transient。

4 设置材料

（1）单击主菜单中Setting Up Physics→Zones→Create/Edit，弹出Create/Edit Materials（材料）对话框。在Density中选择ideal-gas，在Cp中选择piecewise-polynomial，单击Change/Create按钮完成物质的设定。

5 定义模型

（1）在模型设定面板Models中双击Viscous按钮，弹出Viscous Model（湍流模型）对话框，在Model中选择k-epsilon (2eqn)，单击OK按钮确认并关闭对话框。

（2）在模型设定面板双击Energy按钮，弹出Energy（能量模型）对话框，勾选Energy Equation激活能量方程，单击OK按钮确认。

6 动网格设置

（1）在命令结构树中Dynamic Mesh按钮，弹出Dynamic Mesh（动网格）对话框，勾选Dynamic Mesh，在Mesh Methods中选择勾选Smoothing、Layering和Remeshing。

（2）单击Mesh Methods中Settings按钮弹出Mesh Method Settings对话框，在Remeshing选项卡中，勾选Region Face，在Minimum Length Scale中填入0.001523，在Maximum Length Scale中填入0.005406，单击OK按钮确认并关闭对话框。

（3）在Options中勾选In-Cylinder，单击Options中Settings按钮弹出Options对话框，如下图所示，填入发动机主要物理参数，单击OK按钮确认并关闭对话框。

（4）单击主菜单中File→Read→Profile按钮，弹出Select File（导入Profile文件）对话框，选择文件名为valve.prof的Profile文件，单击OK按钮导入。

（5）在Dynamic Mesh Zones中单击Create/Edit按钮，弹出Dynamic Mesh Zones（动网格区域）对话框。

在Zone Names中选择cyl-tri，在Type中选择Deforming，在Geometry Definition选项卡中，Definition选择cylinder，在Cylinder Radius中输入0.046，Cylinder Axis中对应（X，Y，Z）中输入（0，0，1），在Meshing Options选项卡中，勾选Remeshing，在Parameters中，Minimum Length Scale中输入0.0014，Maximum Length Scale中输入0.0041，Maximum Skewness中输入0.6，取消勾选Smoothing，单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择exvalve-ch，在Type中选择Rigid Body，在Motion Attributes选项卡中，Motion UDF/Profile选择ex-valve，在Valve/Piston Axis中对应填入（0.374648，0，0.927167），在Meshing Options选项卡中，Cell Height中填入0.002913，单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择exvalve-ib，在Type中选择Rigid Body，在Motion Attributes选项卡中，Motion UDF/Profile选择ex-valve，在valve/Piston Axis中对应填入（0.374648，0，0.927167），在Meshing Options选项卡中，Cell Height中填入0，单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择exvalve-ob，在Type中选择Rigid Body，在Motion Attributes选项卡中，Motion UDF/Profile选择ex-valve，在Valve/Piston Axis中对应填入（0.374648，0，0.927167），在Meshing Options选项卡中，Cell Height中填入0，单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择fluid-exvalve-ib，在Type中选择Rigid Body，在Motion Attributes选项卡中，Motion UDF/Profile选择ex-valve，在Valve/Piston Axis中对应填入（0.374648，0，0.927167），单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择fluid-exvalve-vlayer，在Type中选择Rigid Body，在Motion Attributes选项卡中，Motion UDF/Profile选择ex-valve，在Valve/Piston Axis中对应填入（0.374648，0，0.927167），单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择fluid-invalve-ib，在Type中选择Rigid Body，在Motion Attributes选项卡中，Motion UDF/Profile选择in-valve，在Valve/Piston Axis中对应填入（-0.342026，0，0.93969），单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择fluid-invalve-vlayer，在Type中选择Rigid Body，在Motion Attributes选项卡中，Motion UDF/Profile选择in-valve，在Valve/Piston Axis中对应填入（-0.342026，0，0.93969），单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择fluid-piston-layer，在Type中选择Rigid Body，在Motion Attributes选项卡中，Motion UDF/Profile选择piston-full，在Valve/Piston Axis中对应填入（0，0，1），单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择int-piston，在Type中选择Rigid Body，在Motion Attributes选项卡中，Motion UDF/Profile选择piston-limit，在Valve/Piston Axis中对应填入（0，0，1），单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择intf-exvalve-ob-fluid-ch，在Type中选择Deforming，在Geometry Definition选项卡中，Definition选择cylinder，在Cylinder Radius中输入0.01573，Cylinder Origin中输入（0.0205，0.019518，0.09578），Cylinder Axis中输入（0.374648，0，0.927167），在Meshing Options选项卡中，勾选Remeshing，在Parameters中，Minimum Length Scale中输入0.0013，Maximum Length Scale中输入0.004，Maximum Skewness中输入0.6，取消勾选Smoothing，单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择intf-int-exvalve-ib-fluid-ib，在Type中选择Stationary，在Mesh Options选项卡中，Cell Height输入0.001049，单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择intf-int-exvalve-ob-fluid-vlayer，在Type中选择Stationary，在Mesh Options选项卡中，Cell Height输入0.000858，单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择intf-int-invalve-ib-fluid-ib，在Type中选择Stationary，在Mesh Options选项卡中，Cell Height输入0.001255，单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择intf-int-invalve-ob-fluid-vlayer，在Type中选择Stationary，在Mesh Options选项卡中，Cell Height输入0.000917，单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择intf-invalve-ob-fluid-ch，在Type中选择Deforming，在Geometry Definition选项卡中，Definition选择cylinder，在Cylinder Radius中输入0.0182，Cylinder Origin中输入（-0.016783，0.019442，0.095021），Cylinder Axis中对应（X，Y，Z）中输入（-0.342026，0，0.93969），在Meshing Options选项卡中，勾选Remeshing，在Parameters中，Minimum Length Scale中输入0.001，Maximum Length Scale中输入0.0031，Maximum Skewness中输入0.6，取消勾选Smoothing，单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择invalve-ch，在Type中选择Stationary，在Mesh Options选项卡中，Cell Height输入0.002926，单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择invalve-ib，在Type中选择Rigid Body，在Motion Attributes选项卡中，Motion UDF/Profile选择in-valve，在Valve/Piston Axis中对应填入（-0.342026，0，0.93969），单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择invalve-ob，在Type中选择Rigid Body，在Motion Attributes选项卡中，Motion UDF/Profile选择in-valve，在Valve/Piston Axis中对应填入（-0.342026，0，0.93969），单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择piston，在Type中选择Rigid Body，在Motion Attributes选项卡中，Motion UDF/Profile选择piston-full，在Valve/Piston Axis中对应填入（0，0，1），单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择seat-exvalve，在Type中选择Stationary，在Mesh Options选项卡中，Cell Height输入0.000858，单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择seat-invalve，在Type中选择Stationary，在Mesh Options选项卡中，Cell Height输入0.000917，单击Create按钮创建动网格区域。

在Zone Names中选择symm-cyl-tri，在Type中选择Deforming，在Geometry Definition选项卡中，Definition选择plane，在plane Normal中对应（X，Y，Z）中输入（0，1，0），在Meshing Options选项卡中，勾选Remeshing，在Parameters中，Minimum Length Scale中输入0.0012，Maximum Length Scale中输入0.0035，Maximum Skewness中输入0.65，取消勾选Smoothing，单击Create按钮创建动网格区域。

（6）在Dynamic Mesh（动网格）对话框中单击Events按钮，弹出Dynamic Mesh Events（动网格事件）对话框，单击Read按钮，选择dynamic-mesh-events文件并单击OK按钮导入文件，设置不同时刻气门处边界变化。

7 边界条件

（1）单击主菜单中Setting Up Physics→Zones→Boundaries按钮启动的边界条件面板。

（2）在边界条件面板中，双击inlet弹出边界条件设置对话框。在Turbulence中选择Intensity and Hydraulic Diameter，其中Backflow Hydraulic Diameter填入0.03。

（3）在边界条件面板中，双击outlet弹出边界条件设置对话框。在Turbulence中选择Intensity and Hydraulic Diameter，其中Turbulent Intensity填入8%，Turbulent IntensityBackflow Hydraulic Diameter填入0.03。

8 求解控制

（1）单击主菜单中Solving→Solution→Methods按钮，弹出Solution Methods（求解方法设置）面板。在Scheme中选择Coupled，在Pressure中选择PRESTO，Skewness Correction中填入0，在Spatial Discretization中Density、Momentum和Energy均选择First Order Upwind。

（2）单击主菜单中Solving→Controls→Controls按钮，弹出Solution Controls（松弛因子控制）面板。在Under-Relaxation Factor中Pressure中填入0.5，Turbulence Kinetic Energy中填入0.4，Turbulence Dissipation Ratio填入0.4。

（3）单击主菜单中Solving→Reports→Residuals按钮，弹出Residuals Monitors（残差监视）面板，在Options中选择Plot，在Absolute Criteria中对应continuity填入0.1，对应epsilon填入0.002，单击OK按钮确认退出。

9 初始条件

单击主菜单中Solving→Initialization按钮，弹出Solution Initialization（初始化设置）面板。

Initialization Methods中选择Standard Initialization，单击Initialize按钮进行初始化。

10 计算求解

（1）单击主菜单中Solving→Activities→Autosave按钮，弹出Autosave（自动保存）对话框，设置Save Data File Every为180。

（2）单击主菜单中Solving→Run Calculation按钮，弹出Run Calculation（运行计算）面板。

在Number of Time Steps中输入1440，单击Calculate开始计算。

11 结果后处理

（1）单击主菜单中Postprocessing→Surface→Create→Iso-Surface按钮，弹出Iso-Surface（等值面）对话框，New Surface Name中填入y=.02，Surface of Constant中选择Mesh和Y-Coordinate，Iso-Values中填入0.02，单击Create按钮确认。