0 引言
发动机缸内的气流运动对发动机的燃烧、排放物生成关系极大，是影响发动机性能的重要因素之一。要获得良好的燃烧过程，最有效的措施是组织空气运动，而由于气道结构形状决定着吸气涡流质量的好坏，所以气道对于柴油机性能影响非常显著，因此设计出符合要求的气道一直是内燃机设计的一项重要内容。
在气道设计初期，试验方法周期长、成本高，而CFD计算可以快速较准确获得流量系数和缸内流动的详细数据，为设计与优化提供指导。单相气体的稳态流动计算较为成熟，收敛性好且可以得到较准确的解，但涉及到与实验相匹配的各个升程下的稳态计算case多，前后处理量大、过程繁琐，由于STAR-CCM+的网格生成功能适应性较强，且气道的组成和几何构型相对比较简单，而多面体网格的适应性强，故采用STAR-CCM+进行的稳态气道模拟分析的设置过程可以模式化，通过程序执行，可大大降低时间成本，提高工作效率。
1 STAR-CCM+的二次开发功能与Java语言简介
由于STAR-CCM+采用Java语言进行封装，各种功能、方法、对象的调用均可通过继承或引用CCM+程序包来实现，所以采用Java语言进行二次开发工作。
1.1 Java语言简介
Java是一种可以撰写跨平台应用软件的面向对象的程序设计语言，是由Sun Mircrosystem公司于1995年5月推出的Java程序设计语言和Java平台(即JaSE、JavaEE、JavaME)的总和。Java技术具有卓越的通用性、高效性、平台移植性与安全性，广泛应用于个人PC、数据中心、超级计算机、移动电话和互联网等领域。
Java平台由Java虚拟机(JVM)和Java应用编程接口(API)构成。Java应用编程接口为此提供了一个独立于操作系统的标准接口，可分为基本部分和扩展部分。在硬件或者操作系统平台上安装Java平台之后，Java应用程序就可运行。Java平台已经嵌入了几乎所有操作系统。这样Java程序可以只编译一次，就在各种系统中运行。但是由于其每次执行编译后的字节码需要消耗一定的时间，这同时也在一定程度上降低了Java程序的运行效率。
Java语言是面向对象的，提供类、接口和集成等原语，为了简单起见，只支持类之间的单继承，但支持接口之间的多继承，并支持类与接口之间的实现机制。Java语言全面支持动态绑定，是一个纯的面向对象程序设计语言。
其拥有的各项优良特性使得Java应用具有非常好的健壮性和可靠性，这将减少应用系统的维护费用。Java对对象技术的全面支持和Java平台内嵌的API能缩短应用系统的开发时间并降低成本。基于其为软件开发过程提供的有关技术与丰富的类库，STAR-CCM+采用Java进行封装，故其二次开发也采用Java语言。
1.2 STAR-CCM+二次开发方式简介
封装好的CCM+程序具有图形操作简单，界面友好，易学易用等特点，但带来的后果是程序开放性不强，不支持代码操作不便于进行高级修改。为了给用户自定义程序提供一个入口，CCM+采用star.common包中的StarMacro类来实现这一功能，使得用户可以通过编写StarMacro的子类来实现在程序当中运行自己编辑的宏命令。
编辑宏文件存在两种方式，一是通过用户界面宏操作面板上的“录制”按钮自动生成需要的代码，一种是在对CCM+的类库以及各个常用类的方法有所了解之后自行引入CCM+的基本类库在集成编译环境或者自由编辑器当中自行编写开发。在宏文件的编辑完成之后，实现自定义程序的运行可以通过两个方式，一种与之前类似，是通过用户界面宏操作面板上的“播放”按钮运行程序，另一种是直接通过操作系统指令（Windows下的cmd命令或者Linux系统在shell下操作）在打开CCM+时指定宏文件执行。
这种做法虽然为用户自定义程序的实现成为可能，但开发团队之外的用户想深入计算模型的修改目前看来仍十分艰难。并且，对于初学者而言，虽然在短时间内掌握录制和播放宏文件的方法并不困难，但如果要实现大量相似但并不完全相同模型（特别是几何模型有差异）的设置、网格划分、计算、后处理过程，通过简单的录制和播放宏或难以理想的实现，仍需逐一在宏文件当中寻找并修改参数，带来仍然不小的工作量和出错的概率。
所以针对不需要对计算模型进行深入修改，但工作过程高度相似化流程化的计算工作，通过合理安排宏文件的运行组织结构，并将参数提取成变量从方法当中抽取出来，将方法重构就可以实现计算过程的集成。这样便可大大减少相似工作的重复工作量和出错几率，还可以采用Java语言为其编写图形化的界面交互程序，使得不了解CCM+类库方法调用的用户可以方便地修改某一类型案例的可变参数进行初步的计算分析。
2 进气道稳态模拟计算的流程
进气道流动特性一般指流通能力(或阻力特性)和产生涡流的能力。目前，评价气道流通能力的试验方法仍采用在稳流试验台上测得的流量系数法。而评价进气道产生涡流能力的方法除在稳流试验台上测量涡流比外，还有其它一些方法。在稳流试验台上评价进气道进气涡流的方法有两种：一是风速仪法；二是气流校直测矩仪法。气道内的流动状态用压差来度量，气体流量用标准流量计测量。为了便于对不同形状和尺寸的气道流动性能进行比较，可以用无量纲流量系数评价不同气门升程下气道的流通能力，用无量纲涡流比来评价不同气门升程下气道形成缸内涡流的能力。世界上几家著名的内燃机咨询公司（如Ricardo、AVL等）分别定义了各自的评价参数。
针对稳态实验进行的模拟计算，操作过程可以分为前处理、计算以及后处理这样三个过程。其中，前处理主要包括导入几何，划分计算区域，生成网格，选择并设置模型、求解器参数等步骤，后处理则涉及截面的截取，云图、矢量图的生成以及各种变量积分的计算和评价指标的计算。
在前处理当中，根据流体区域表面所属的零件的不同，本文将气道几何分为稳压箱、气道、座圈、气门、气缸几个区域，分别为其赋予标准名称，之后将气门从坐标原点沿气缸的对称轴向下移动当前升程对应的位移，并对各个零部件的外表面进行布林运算，生成流动的几何区域。
图1 计算分析工作流程
生成的流体区域按照几何表面区分边界，之后设置面网格模型与基准尺寸，将气道与座圈边界进行局部加密，设置并重新划分面网格完毕后选取体网格模型继续生成多面体网格，在完成网格划分之后选取物理模型以及进行相应的求解器参数设置。最后，根据稳态气道实验的需要进行后处理，例如按要求选取截面查看云图或者矢量图，统一云图的上下界便于其比对，计算该升程下的流量系数以及无因次涡流量，最终根据得到的结果进行分析并撰写报告。
3 用户界面的编写与程序的特点
针对以上工作流程可以将程序划分为不同的模块分别进行编写，在实现了相应功能之后，为了方便参数的修改，通常会把需要修改的参数以变量的形式提取出来，如果要使用户可以更直观的修改这些变量，可以编写用户输入界面将其值写入相应的属性文件当中，然后在子类或者宏程序当中对属性文件进行读取，进而采用用户指定的值来执行各个命令和方法。
根据功能区域的不同，本文的用户面板由四个选项卡组成，分别对工作及保存路径、气门升程、计算参数进行设置，“基本设置”面板当中发动机及环境信息的设置与流量系数与涡流的计算有关，后处理面板实现的是具体结果的实时调用，如图所示。本程序允许异地调用和保存几何文件及结果文件，待处理的几何文件不必保存在工作目录下，计算得到的结果文件(.sim后缀文件)和各截面云图矢量图也可以保存在用户指定的目录下。
通过“基本设置”面板当中的“检查”按钮和后处理面板当中的“显示当前”按钮，可以显示指定几何保存路径下各几何零件的组装效果以及当前选择的结果截图。在后处理面板上执行了“处理结果并保存”按钮之后，可以通过“流量系数”“无因次涡流量”两个按钮来查看所选case的相应结果，所有已计算升程下的流量系数和无因次涡量结果均保存在工作目录下的“...\Cf.properties”以及“...\swirlFile.properties”两个文件当中，用户可以根据需要使用。
图2 几何模型检查窗口
程序对于运行环境有一定要求，首先用户的PC上需要安装STAR-CCM+8.02和任意版本的STAR-View+，由于CCM+不同版本的程序包之间存在一定差异，所以如果安装的版本不是8.02版本，程序有可能会发生一些错误。由于程序是采用Java语言编写，输出的程序包又并未添加自动检测并安装JRE(Java Runtime Environment)的功能，所以程序必须在安装了JRE的环境下运行。
图3 程序的运行界面
4 具体案例分析
采用本程序，本文对某发动机气道进行了模拟计算分析。
4.1 模型设置及网格情况
流体域的几何模型如图所示。气道前端是稳压箱，气缸长度取1.75倍的缸径。采用多面体网格方式进行划分，基本参照尺寸为2mm，气门座以及气门等有较小结构处按照程序当中根据经验设定的比例采取了网格加密措施，网格总数为582145，网格质量全部合格，良好质量网格占98.848%。
图4 计算网格
程序根据经验选定的各壁面条件以及计算模型等无法通过用户面板修改，故仍旧按照统一设置，这样也有利于模型的统一。进出口压差也按照文本框的默认值4100Pa进行设置，温度在基本设置面板设置为290.00K。
4.2 计算结果及分析
图为升程分别为4mm和7mm时的压力场。进气行程中进气门打开，活塞下行，在气缸内形成负压。气体进入气道后，由于气道截面逐渐减小，气道内的阻力逐渐增加，顺着气流方向，气道内压力逐渐减小，气道出口即气门座附近压力最小，而在该处气道内阻力最大，压力损失也大。
图为4mm升程和7mm升程时气道和气缸内的速度云图。喉口处气体被压缩，速度急剧增加，而气体进入气缸后，由于截面积增大，流速逐渐减小。
图5 不同升程下的压力分布
图6 不同气门升程下的速度矢量分布
图7 不同气门升程下的湍动能分布
在小升程时，气门背侧没有流速突降区域，大升程下存在这一区域，这一回流区域是边界层分离所造成的。通过对比不同气门升程下的速度分布可以发现，当气门升程较大时，缸内的气流速度较大，但喉口处流速低于小气门升程时，反之亦然。并且由于气门中心与气缸中心在水平方向的相对位置不一致，导致不同侧的进气流速不同，这种不平衡也应当会影响到缸内涡流的形成，决定涡流的形状与漩涡中心的位置。
从图7不同升程下的湍能强度对比中可以发现，随着进气量的增加，无论是在气道内还是气缸内，湍动能都在增加。图8给出了该气道各气门升程下的流量系数曲线，从曲线走势来看，随着气门开度的增加，流量增加的幅度基本呈线性关系增加。
图8 各个气门升程下的流量系数
5 结论
为了分析示例当中的气道，本文共计算了六个升程的稳态流动情况，产生了240个图片和可视化文件，而其中很大量用于对比的图片和文件最终虽然不会被报告采用却仍需要制作以备筛选，程序的使用节约了大量工时，并减少了设置偏差导致计算条件不统一而返工的情况。
6 展望
在前处理方面，目前程序只能处理两气门气道变十气门升程的情况，如果将四气门的宏程序进行方法的统一和变量的提取，通过增加或替换操作类的方式可以大大增强程序的适用性；计算过程方面，改进新增Simulation类的实例化方式（目前是通过文件地址实例化）可以拓展并行计算和计算过程的控制性，这与增加可操作气门升程的功能也是相关的；后处理方面，通过Open Office程序包的引入和报告模板的建立，可以进一步实现更标准更终端的结果输出，目前阶段的程序对于用户提取结果的灵活性实现得也十分有限；考虑到同一单位不同产品的对比分析在统一计算模型的前提下进行更为合理，计算模型的选取在今后的开发中仍不建议对用户开放。
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