活塞碗设计的未来：CAESES优化策略解析

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。

一、CAESES的活塞碗设计能力

CAESES已成功应用于国内外多家知名企业的活塞碗优化，并取得了良好的效果。在创建活塞碗的参数化模型过程中，CAESES具有以下功能特点：

1.可实现对任意外形进行参数化调节。活塞碗的设计不限于预定模板，用户可根据自己的设计方法进行参数的自定义。

2.活塞碗的型线可实现沿圆周方向进行变化，比如形成“波浪”碗形。

3.创建的模型具有很好的鲁棒性，不会因为参数变化而导致模型失效。

4.压缩比可以通过几何变量设置实现自动调整，确保每个设计方案具有相同的压缩比，避免浪费时间在不可行方案的设计上。

5.可以实现其他形式的自动调整，例如根据喷嘴角度调整碗的形状。

6.几何模型可以根据CFD网格工具要求，输出各种类型的格式文件。同时还可对指定曲面进行定义区分，以便后续工具能够识别，方便对网格参数和边界条件进行设置。

7.可以将活塞碗跟喷油策略或者其他工艺参数（比如燃料、EGR量等）相结合进行设计。

8.在软件连接器接口中，用户还可以通过参数定义修改输入文件和CFD求解器脚本文件。

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

二、算例-参数化建模方法

活塞碗可由轮廓线绕中心轴旋转得到，因此对轮廓线做参数化设计可以实现对活塞碗的参数化控制。建模方法如下图所示：

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。

三、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。

四、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降低了78%），仿真结果如下图所示（从左至右分别为：NO_x最低方案、最佳方案及soot最低方案）。

温度云图

_{NOx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：

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