活塞碗设计的艺术：CAESES优化设计实践

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。在压缩过程中，活塞碗的形状会影响空气和燃料的流动，从而影响两者之间的混合。良好的均质混合气可促成更有效的燃烧，从而提供更多的动力以及更好的燃油经济性。此外，使用一个高效的活塞碗还能有效减少缸内排放物（如NOx和碳烟）而节省相应的后处理成本。

活塞碗CAESES参数化模型

CAESES活塞碗设计能力

CAESES已经成功应用于最先进活塞碗的优化，并在设计中体现出几个关键功能。主要功能介绍如下：

● 在CAESES中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，还可根据自己的设计方法进行自定义参数。期间，可使用任意曲线类型进行造型，包括直线、圆弧和各种样条线。

● 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。

● 针对碗形的几何形状，CAESES完全可以实现鲁棒性良好的几何变化，不会因为参数变化而导致模型失效。对于其他几何复杂形状，我们的目标依然是100%鲁棒性变化，仅仅需要通过智能参数化和基础模型相结合。

● 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，而不会浪费时间在不可行方案的设计上。这是一个内部迭代优化过程，其中的调整变量可以自由选择。甚至可以在自动调整过程中选择优先顺序，首先选择第一个指定变量与压缩比进行匹配，如果不行，则添加下一个变量，以此类推。

● 也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。

● 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。

● 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。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

算例：基于CONVERGE的活塞碗优化

这是一个活塞碗的简单算例，通过CAESES与CONVERGE耦合实现了自动仿真优化。活塞碗的轮廓线由两段圆弧线、两段桥接曲线和几条直线段组成。算例选择了以下四个参数进行优化：

Lip Entrainment

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内径。

请注意，可以选择对轮廓线面积（即3维体积）进行自动调节以满足给定值。下面给出参数依赖关系的动图，关联其他参数后，参数调节实现了良好的整体变化效果。

碗半径：该参数控制着活塞碗的半径

直径缩放：该参数通过尺寸比例缩放控制着活塞碗的整体直径

喷雾半径：此参数不属于几何参数，但在CONVRGE软件中会用到

通过软件连接器将CONVERGE耦合到CAESES中。根据喷嘴的数量定义扇形区域，同时导出CONVERGE所需的格式文件（“surface.dat”），文件中对不同的边界进行了定义划分。

CAESES中选择了多目标遗传算法进行优化，模拟时考虑NOx和碳烟的排放。整个优化过程共模拟得到了50个方案结果。

不同活塞碗方案的碳烟分布图

所有的设计变量对优化目标都有显著影响，两个目标参数则是反相关的。从优化结果中选择了三个设计方案进行最优比较，在Pareto边界中，三个方案分别代表了最低的碳烟、最低的NOx和折中方案。在碳烟方面，起始基准值已相当低，因此只有当NOx排放量有较大改变时，最低碳烟方案才能在基准值上有所改善。

不同活塞碗方案的NOx分布图

优化过程中包含了较低NOx排放量的结果，该设计方案相比基础方案得到了整体的改善。下一步可以添加新一轮优化，主要围绕最佳方案的附近区域进行细化寻优。

CAESES优化结果分析-蓝色线为Pareto边界

活塞碗在线网页APP-某型活塞碗几何模型设计

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