【技術貼】基于CFD的發動機系統級解決方案！精華帖！

2016-09-13  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

1.必要性分析

隨著計算機技術的發展,通過仿真方法虛擬再現設備的工作狀態已成為各研究單位的主要研究手段。數值仿真可以給出設備正常工作時的各個指標參數,研究設備尺寸參數對性能的影響,亦可分析設備故障狀態下的指標變化情況,對故障排除具有較大的指導意義。

對于由泵、閥、管道及其他流阻元件組成的系統級的數值分析,過去多采用一維流體系統的方法進行數值分析。一維流體數值分析的方法可以快速搭建系統模型,并迅速求解,獲得系統中各主要位置的流量、壓力、速度等結果,為系統分析提供參考依據,是設計人員的得力助手。然而隨著人們對數值分析研究的深入,對數值計算結果的精度和可靠性提出了更高要求,同時對于數值計算可提取的結果信息也提出了更高要求。對于一維流體系統分析已不能完全滿足設計人員的需要。其主要體現在:

1)一維流體系統的分析計算需要依賴于組成系統的各個部件的性能參數的支撐。然而很多部件用戶并沒有參數支持,搜集參數的過程具有不確定性,必要時可能需要單獨對部件進行性能分析,這就失去了一維分析的高效性的優勢;2)一維流體分析可以獲得系統的宏觀計算信息,然而對于設計人員來說,只獲得主要位置的計算結果是往往不夠的。無法觀察系統某局部位置的詳細流場分析,無法快速準確地判定系統故障所在,對于系統內部各組件之間的相互配合相互影響不能快速評估,也無法對系統內部詳細的流動分析做出準確分析,這對于系統設計的準確性和穩定性來說都是不夠的。3)一維流體系統分析的精確性很大程度上決定于部件參數的準確性和完備性,在某些情況下,對于某些特殊部件還需要做簡化或類似處理,這對于計算結果的精度也有較大挑戰。

綜上所述,對于某些系統的流體分析已不能滿足于單純的一維系統分析,越來越多的研究人員開始著眼于三維系統級分析的研究。系統級的CFD分析由于并不需要部件性能參數的支撐,且可以獲得詳細準確的流場信息,捕捉系統中泵閥等部件之間的相互配合以及局部流場分布不合理等現象,既

能指導部件級的優化,又能分析指導流體系統的性能改善,已成為發動機設計研發輔助方法的必然發展趨勢。2.技術難點分析

系統級的CFD分析雖然具有一維系統分析不可替代的優勢,然而系統級三維CFD分析的技術難度使得該領域的研究發展緩慢,主要的原因有以下幾點:

1)計算量過于龐大:組成系統的部件眾多,以燃油系統為例,包括燃油離心泵、燃油齒輪泵、控制閥門、管道以及其他組成部件,整個系統模型龐大且復雜,網格數少則千萬,多則上億,一般的分析軟件和硬件無法承受如此龐大的計算量。2)組成系統的某些部件結構復雜,部件級的CFD分析難度不容小覷:某些組成部件如齒輪泵、閥門、活塞等均為容積式運動機械,對于單個部件的CFD分析在構建其結構網格和設置動網格模型時難度已經很大,系統分析時需要同時考慮所有組成部件,難度更大。3)系統各部件之間相互配合,需要捕捉系統流場的瞬態變化:由于發動機組成系統的泵、閥門、活塞以及管道軸承等部件之間相互影響,閥門的開啟關閉、泵的轉速變化、軸承油道的不規則運動等都會對系統瞬態效應產生影響,進而影響系統的穩定性分析和評估。這對于計算的難度和精確度都提出了要求。4)受系統部件的不同工作特性影響,需要對某些惡劣工況進行分析,難度加大:例如某些工況下系統內部可能發生空化,嚴重時可能使系統不能正常工作,涉及到空化的兩相流分析,往往會引起CFD計算的收斂性和穩定性的問題。5)某些系統級分析需要分析氣液兩相的情況:例如油泵的冷啟動分析,變速箱的甩油分析、曲軸箱通風的氣液兩相分析等,均需要對系統進行VOF的兩相流分析,這對于計算的難度和速度均提出了挑戰。3 解決方案

隨著計算機技術的發展,在計算機軟硬件的性能提升上都有了較大改觀。計算機硬件的飛速發展為系統級CFD分析提供了可以實現的硬件條件。而針對于包含各種運動機械的專業性CFD分析工具性能的不斷更新和進步,使得系統級分析的CFD計算得到越來越多的應用。本方案介紹的專業運動機械CFD工具PumpLinx即是系統級分析應用最多最廣的一款分析軟件。PumpLinx針對于系統級分析的優越性在于:

1) 豐富的運動機械模板:PumpLinx軟件針對各類運動機械研發了對應的專業模板,模板將各運動機械的分析流程和規范內置到軟件中,對于傳統分析難度較大的容積泵、閥門、活塞等,均有模板功能可以自動劃分網格并設置動網格,為系統分析模型的順利搭建和設置保駕護航。2)高度自適應的網格功能:PumpLinx除針對各類運動機械有模板網格支持之外,對于系統的其他組件均可以采用其內置的基于二叉樹的笛卡爾網格技術進行高質量的網格劃分。這種網格技術相比與四面體網格數量較少、收斂性和穩定更好;其精度與六面體網格相當,其花費時間遠遠少于六面體網格。3)穩健的兩相流分析模型:PumpLinx內置的全空化分析模型和VOF兩相分析模型經過豐富的實例驗證,其魯棒性明顯優于傳統的CFD分析工具,在空化分析和VOF分析方面均有大量的實例應用。4)高效的求解功能:PumpLinx的求解器在傳統的CFD求解器基礎上進行了優化,相比與傳統的CFD工具求解速度更快。結合其強大的網格技術,使得PumpLinx可以順利進行系統級的CFD分析工作。目前PumpLinx在系統級分析領域已積累較多經驗。綜上所述,PumpLinx已成為系統級CFD分析的不可或缺的軟件工具。4. PumpLinx系統級CFD分析應用介紹4.1 PumpLinx在4缸發動機潤滑系統仿真中的應用

德國大眾早在2011年即使用PumpLinx將汽車潤滑系統中的若干部件同時進行模擬,包含發動機水套、油冷器、機油泵、泄壓閥、4缸軸承油道、主油道和其他管道等部件。通過仿真分析從機油泵中泵出的滑油在不同支路中的流量配比情況,評價設計是否能夠保證發動機各個部件都得到有效的潤滑。對于某些高壓工況,控制閥門的配合情況以及空化效應對于系統的影響也得到了細致分析;對于主軸軸承和軸瓦間間隙處潤滑效果的模擬也取得了有益的結果。以下是部分可分享的過程圖片。

該案例來自凱特比勒公司,如下圖所示,該16缸發動機潤滑系統由油泵、控壓閥,過濾器,冷卻器,主油道和連桿油膜等眾多部件組成。其網格總數600萬,計算時間為9小時每轉。

齒輪轉速采用恒定轉速,即1.33倍的發動機轉速;本案例中對于軸承變形也做了細致分析,由動力學分析獲得軸承的變形規律,在PumpLinx中作為已知條件進行輸入,以動網格進行描述。壓力調節滑閥的位移計算是根據流體與結構的相互受力平衡確定,閥芯質量是5kg,彈簧彈性系數是93800N/m,預緊力是2130N。部分計算結果圖片如下所示:

為更好地進行數據分析和對比,對油路中各關鍵位置的計算結果進行檢測,具體監測位置如下:

對監測數據進行無量綱分析,并與試驗數據進行對比可知,PumpLinx計算結果與試驗結果吻合度較高,可以有效指導該類型系統的設計優化。

本案例來自美國福特公司。該發動機冷卻系統由水泵、分流閥(節溫器)、水套、散熱器及管道等組成完整水路系統。建模時間約4小時,計算時間約24小時。

該冷卻系統對于節溫器的由于溫度變化,引起的熱脹冷縮過程也進行了真實分析。對于節溫器的分流作用,由于節溫器隨著溫度升高,節溫器內的石蠟開始融化,逐漸變為液體,體積增大頂開節溫器,使冷卻液流經散熱器和節溫器。PumpLinx通過對溫度場的分析和石蠟的密度隨溫度變化的影響進行分析描述,真實模擬冷卻系統的分流冷卻過程,最終獲得令人滿意的結果。

發動機機油在低溫環境下,機油會表現出復雜的流變行為,此時潤滑油粘度會大大增加,變成非牛頓流體狀態。此時如果油泵吸油困難則會對發動機發生不可逆轉的損害,造成發動機啟動困難。因此對于油泵的冷啟動自吸性能的分析顯得十分重要。

油泵作為容積式運動機械,進行CFD分析時需要構建結構網格并描述動網格運動,傳統CFD軟件難以完成。此外在低溫環境下油品粘度加大,不能以牛頓流體介質對待,油泵吸油過程存在氣液兩相,油泵是否能正常吸油需要利用多相流的分析手段進行分析,因此數值求解難度加大。

PumpLinx作為專業的運動機械CFD工具,內置有專業的泵模板可快速完成泵的結構網格劃分和動網格設置。同時PumpLinx內置有非牛流體模型和基于VOF的多相流分析模型可以較好地實現泵的自吸過程的分析。

PumpLinx作為專業的運動機械分析工具,不僅可以快速完成運動機械的單個部件分析,對于系統級的分析也能很好地適應,其前處理時間和計算求解時間均在可接受范圍內,可以在相對較短的時間內獲得豐富的數據結果指導設計。值得一提的是,上述系統級分析的案例對于計算機配置并沒有特別高的要求,大部分案例的計算均在下述配置的電腦上完成。

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