基于CAESES的活塞碗优化设计

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了使用CAESES进行柴油机活塞碗参数化建模及优化的方法。通过对活塞碗轮廓线进行参数化设计，并驱动CFD软件执行优化计算，实现了对活塞碗形状的多目标优化，以降低NOx和soot的排放。CAESES的参数化建模方法能够综合考虑多个几何参数，提高了优化效率和准确性。算例结果表明，通过优化活塞碗形状，可以显著降低NOx和soot的排放，提高发动机性能。CAESES的优化能力已在多家企业得到验证，显示出其在发动机设计领域的广泛应用前景。

活塞碗是活塞顶部的一个凹槽燃烧室，该部件主要应用于（直喷式）柴油机中。直喷柴油机活塞碗对缸内气体流动和柴油混合具有非常关键的作用，可直接影响燃烧反应的路径和化学反应速率，从而在很大程度上能够决定发动机的性能和排放物的生成量。

目前的活塞碗研究方法受建模方式限制，主要是针对单个几何参数进行DOE分析，难以将多个几何参数进行综合考虑，CAESES的参数化建模方法可以很好地解决这一问题。本文针对柴油机活塞碗，介绍了一种参数化建模方法，以CAESES建立活塞碗的参数化模型，并驱动CONVERGE执行CFD优化计算，从而降低NO_x和soot的排放。

 CAESES的活塞碗设计能力 

活塞碗的轮廓线以及3D造型

保持压缩比不变情况下的活塞碗形状变化

 算例-参数化建模方法 

在对活塞碗进行优化过程中，几何变形通常会导致燃烧室容积变化，从而改变压缩比，这就难以准确评估设计参数对性能的影响。CAESES可以计算出每一次变形后燃烧室的容积，通过自动迭代算法调整自由线7，能够保持燃烧室容积始终不变。

算例选择了以下3个参数进行优化（已选择对轮廓线面积（等同于3维体积）进行自动调节以满足给定压缩比）：

1.喉部尺寸

该参数控制活塞碗边缘的唇口形状，同时也会影响活塞碗的缩口半径。

2.碗半径

该参数控制碗底半径。

3.缩口半径/D

 该参数通过缩口半径的比例缩放，控制活塞碗的直径。

计算方法 

由于采用8孔喷油器，为提高仿真效率，取1/8气缸，即45°扇形区域作为计算域：

通过软件连接器将CFD软件（如CONVERGE、STAR CCM+、FIRE等）耦合到CAESES中。

计算结果

 CAESES对活塞碗的优化分为两步，首先，通过CAESES的DOE方法研究“碗半径”、“喉部尺寸”和“缩口半径/D”对活塞碗性能的影响。

CAESES优化结果分析（蓝色为Pareto优化结果）

之后，在DOE计算的50个样本（蓝色点）基础上采用CAESES的遗传算法对活塞碗进行多目标优化（降低NO_x和soot）。该过程共进行了4代优化（种群规模为50），最终得到Pareto前沿。

遗传算法优化过程及Pareto前沿

上图中，蓝色的正方形表示在采样域中的初始设计样本，而虚线表示遗传算法的实际演化过程。从上图中可以看出，第一代优化得到了本次优化计算的NO_x最小的设计设计方案；第2代优化得到了soot最小的设计方案；而经过第3代和第4代的优化，所得到的NO_x-soot图中最接近的（0，0）的方案即为本次优化计算的最佳设计方案，该方案同时具有较低的NO_x和soot（NO_x降低了66%，soot��低了78%），仿真结果如下图所示（从左至右分别为：NO_x最低方案、本次优化计算的最佳方案及soot最低方案）。

温度云图

NO_x浓度云图

soot浓度云图

本次优化计算的NO_x最小方案、最佳方案、soot最小方案的结果对比（曲轴转角30°CA）

优化方案与原模型的结果对比