活塞碗是活塞頂部的一個(gè)凹槽燃燒室，該部件主要應(yīng)用于（直噴式）柴油機(jī)中。在壓縮過程中，活塞碗的形狀會(huì)影響空氣和燃料的流動(dòng)，從而影響兩者之間的混合。良好的均質(zhì)混合氣可促成更有效的燃燒，從而提供更多的動(dòng)力以及更好的燃油經(jīng)濟(jì)性。此外，使用一個(gè)高效的活塞碗還能有效減少缸內(nèi)排放物（如NOx和碳煙）而節(jié)省相應(yīng)的后處理成本。

活塞碗CAESES參數(shù)化模型

 CAESES活塞碗設(shè)計(jì)能力 

CAESES已經(jīng)成功應(yīng)用于最先進(jìn)活塞碗的優(yōu)化，并在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出幾個(gè)關(guān)鍵功能。主要功能介紹如下：

● 在CAESES中可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意外形進(jìn)行參數(shù)化調(diào)節(jié)。活塞碗的設(shè)計(jì)不限于預(yù)定模板，還可根據(jù)自己的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行自定義參數(shù)。期間，可使用任意曲線類型進(jìn)行造型，包括直線、圓弧和各種樣條線。

● 活塞碗的型線可實(shí)現(xiàn)沿圓周方向進(jìn)行變化，比如形成“波浪”碗形。

● 針對(duì)碗形的幾何形狀，CAESES完全可以實(shí)現(xiàn)魯棒性良好的幾何變化，不會(huì)因?yàn)閰?shù)變化而導(dǎo)致模型失效。對(duì)于其他幾何復(fù)雜形狀，我們的目標(biāo)依然是100%魯棒性變化，僅僅需要通過智能參數(shù)化和基礎(chǔ)模型相結(jié)合。

● 壓縮比可以通過幾何變量設(shè)置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，確保每個(gè)設(shè)計(jì)方案具有相同的壓縮比，而不會(huì)浪費(fèi)時(shí)間在不可行方案的設(shè)計(jì)上。這是一個(gè)內(nèi)部迭代優(yōu)化過程，其中的調(diào)整變量可以自由選擇。甚至可以在自動(dòng)調(diào)整過程中選擇優(yōu)先順序，首先選擇第一個(gè)指定變量與壓縮比進(jìn)行匹配，如果不行，則添加下一個(gè)變量，以此類推。

● 也可以實(shí)現(xiàn)其他形式的自動(dòng)調(diào)整，例如根據(jù)噴嘴角度調(diào)整碗的形狀。

● 幾何模型可以根據(jù)CFD網(wǎng)格工具要求，輸出各種類型的格式文件。同時(shí)還可對(duì)指定曲面進(jìn)行定義區(qū)分，以便后續(xù)工具能夠識(shí)別，方便對(duì)網(wǎng)格參數(shù)和邊界條件進(jìn)行設(shè)置。

● 可以將活塞碗跟噴油策略或者其他工藝參數(shù)（比如燃料、EGR量等）相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)。在軟件連接器接口中，用戶還可以通過參數(shù)定義修改輸入文件和CFD求解器腳本文件。

活塞碗的輪廓線以及3D造型 

                                                                                        

 保持壓縮比不變情況下的活塞碗形狀變化

 算例：基于CONVERGE的活塞碗優(yōu)化 

這是一個(gè)活塞碗的簡(jiǎn)單算例，通過CAESES與CONVERGE耦合實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)仿真優(yōu)化。活塞碗的輪廓線由兩段圓弧線、兩段橋接曲線和幾條直線段組成。算例選擇了以下四個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：

Lip Entrainment

該參數(shù)控制活塞碗邊緣的唇口形狀，同時(shí)也會(huì)影響活塞碗的內(nèi)徑。

請(qǐng)注意，可以選擇對(duì)輪廓線面積（即3維體積）進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)以滿足給定值。下面給出參數(shù)依賴關(guān)系的動(dòng)圖，關(guān)聯(lián)其他參數(shù)后，參數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了良好的整體變化效果。

碗半徑：該參數(shù)控制著活塞碗的半徑

直徑縮放：該參數(shù)通過尺寸比例縮放控制著活塞碗的整體直徑

噴霧半徑：此參數(shù)不屬于幾何參數(shù)，但在CONVRGE軟件中會(huì)用到

通過軟件連接器將CONVERGE耦合到CAESES中。根據(jù)噴嘴的數(shù)量定義扇形區(qū)域，同時(shí)導(dǎo)出CONVERGE所需的格式文件（“surface.dat”），文件中對(duì)不同的邊界進(jìn)行了定義劃分。

CAESES中選擇了多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，模擬時(shí)考慮NOx和碳煙的排放。整個(gè)優(yōu)化過程共模擬得到了50個(gè)方案結(jié)果。

不同活塞碗方案的碳煙分布圖

所有的設(shè)計(jì)變量對(duì)優(yōu)化目標(biāo)都有顯著影響，兩個(gè)目標(biāo)參數(shù)則是反相關(guān)的。從優(yōu)化結(jié)果中選擇了三個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行最優(yōu)比較，在Pareto邊界中，三個(gè)方案分別代表了最低的碳煙、最低的NOx和折中方案。在碳煙方面，起始基準(zhǔn)值已相當(dāng)?shù)停虼酥挥挟?dāng)NOx排放量有較大改變時(shí)，最低碳煙方案才能在基準(zhǔn)值上有所改善。

不同活塞碗方案的NOx分布圖

優(yōu)化過程中包含了較低NOx排放量的結(jié)果，該設(shè)計(jì)方案相比基礎(chǔ)方案得到了整體的改善。下一步可以添加新一輪優(yōu)化，主要圍繞最佳方案的附近區(qū)域進(jìn)行細(xì)化尋優(yōu)。

CAESES優(yōu)化結(jié)果分析-藍(lán)色線為Pareto邊界

活塞碗在線網(wǎng)頁APP-某型活塞碗幾何模型設(shè)計(jì)

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