基于人体仿生的排气歧管流场分析

论文摘要

发动机进排气系统的结构和流动性能的优劣直接影响到发动机的动力性、经济性和排放性。因此,无论是在理论上还是在实践中,研究并改进排气系统的性能及结构都是很有必要的。然而,发动机进排气系统中的气体流动是一个非常复杂的非稳态流动过程,目前仍无法精确计算出来。本文是将排气歧管内气体流动视为三维、定常、可压缩的流动,在计算流体力学的基础上建立了排气歧管气道的流动模型。本文以某一2V四缸发动机的排气歧管为研究对象,建立了排气歧管的数学模型。采用Fluent软件对排气歧管的流场进行了分析计算,得到排气歧管的二维及三维流场分布结果,获得了各个支管的压强和速度矢量图,以及出口的压强和速度分布曲线。以仿生设计理论为基础,分析了人体肺气管的组成及工作原理,采用人体支气管的结构来模拟四缸发动机的排气歧管。采用局部特征的仿生方法,通过对人体支气管边缘的检测与处理,获得支气管的外轮廓图,并采用AutoCAD建立了仿生歧管的二维模型。运用Fluent软件完成了仿生歧管流场的分析计算。通过对仿生歧管二维模型的流场分析,得到了各个支管的压强及速度矢量图,以及出口的压强与速度曲线图。对优化前后的排气歧管出口压强进行对比,结果表明：采用仿生歧管的结构比原结构的压力损失小,达到了结构设计优化的目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及其研究意义
• 1.2 进排气系统的发展及研究现状
• 1.3 进排气系统数值模拟计算方法
• 1.4 仿生设计及其应用
• 1.4.1 形态仿生
• 1.4.2 色彩仿生
• 1.4.3 肌理仿生
• 1.4.4 功能仿生
• 1.4.5 结构仿生
• 1.4.6 环境仿生
• 1.5 本文主要研究内容
• 2 流体力学数值方法
• 2.1 流体动力学控制方程
• 2.1.1 质量守恒方程
• 2.1.2 能量守恒方程
• 2.1.3 动量守恒方程
• 2.1.4 控制方程的通用形式
• 2.2 流体多维流动基本控制方程
• 2.3 控制方程的离散化方法
• 2.4 常用的离散格式
• 2.4.1 一维控制体的连续方程
• 2.4.2 耗散项的中心差分格式
• 2.4.3 对流项的二阶迎风格式
• 2.5 FLUENT中的数值求解方法
• 2.5.1 Fluent软件概述
• 2.5.2 数值求解方法
• 2.6 本章小结
• 3 2V发动机排气歧管的流场分析
• 3.1 排气歧管的种类
• 3.2 计算流体动力学（CFD）简介
• 3.2.1 计算流体动力学的工作步骤
• 3.2.2 计算流体动力学的特点及应用领域
• 3.3 CFD的求解过程
• 3.3.1 总体计算流程
• 3.3.2 各求解步骤的介绍
• 3.4 排气歧管的流场分析
• 3.4.1 排气歧管的FLUENT分析
• 3.4.2 流场的SIMPLE算法
• 3.4.3 气体模型的选取
• 3.4.4 几何模型的建立
• 3.4.5 网格划分
• 3.4.6 边界条件的设置
• 3.5 三维结构的流场分析
• 3.6 二维结构的流场分析
• 3.6.1 二维模型的建立
• 3.6.2 网格划分
• 3.6.3 气体模型的选取
• 3.6.4 流场的分析计算
• 3.7 本章小结
• 4 排气歧管的仿生建模
• 4.1 仿生与仿生设计
• 4.1.1 仿生学
• 4.1.2 仿生设计学
• 4.2 排气歧管的仿生对象
• 4.2.1 人体气管与支气管结构
• 4.2.2 支气管模型的边缘检测
• 4.3 仿生歧管模型的建立
• 4.3.1 参数的设计计算
• 4.3.2 仿生歧管二维模型的建立
• 4.4 本章小结
• 5 仿生歧管的流场分析
• 5.1 仿生歧管支管1的流场计算
• 5.1.1 支管长取为50mm时的流场计算
• 5.1.2 支管长取为25mm时的流场计算
• 5.1.3 支管长取为5mm时的流场计算
• 5.2 仿生歧管其它支管的流场计算
• 5.3 仿生歧管与原歧管出口压强的对比
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 发展与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文