搜索【技術分享】發動機低溫冷啟動CFD解決方案
2017-03-31 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
背景描述
低溫條件下,發動機啟動困難的主要原因是潤滑油粘度增大,潤滑油粘度越大,流動性越差,使發動機曲軸的旋轉阻力增加,降低了啟動轉速。在極低溫度(-20~-40℃)下,潤滑油呈現出極為復雜的流變特性,這種特性是非牛頓的,且在油箱中呈現出一種準凝膠的固態形式。
在冷啟動過程中,發動機故障的危險性隨著潤滑油到達泵的時間(泵啟動時間)的增加而增加。因此,準確評估進油時間就尤為重要。
本案例呈現的技術方法能夠模擬滑油的輸運行為并監測未預熱發動機中的滑油流動,可以準確計算發動機啟動過程中滑油從滑油箱到油泵所耗時間。
技術難點
在極低溫度-40℃下,潤滑油表現出極強的非牛頓流體特征,因此CFD仿真冷啟動過程的精確性主要取決于以下幾個技術難點的處理方法:
1、在極低溫度下,滑油呈現出一種準凝膠的固態形式,此時的流體不滿足牛頓黏性實驗定律,即其剪應力與剪切應變率之間不是線性關系,需要對滑油的物性進行準確描述。
2、油泵在吸油過程中,存在多相流動,需要采用基于VOF的氣液兩相分析。
3、容積式泵需要用到結構網格和動網格,難度較大。
潤滑油流變特性處理
一般而言,預測工程流體流變特性的方法有數學模型預測方法和試驗方法兩種。
數學模型預測方法最常用的是Herschel-Bulkley模型,即H-B模型,如下圖所示。H-B模型描述了一種介質具有兩個不同的不連續的流體行為區域,而實際上屈服點的確定是比較困難的。一般來說,采用流變測量儀進行屈服點的測定方式更為精確。
圖1 H-B流體模型
采用試驗方法預測屈服點常用方法有兩種:(a)振蕩剪切速率振幅掃描、(b)線性剪切應力測試兩類。兩種測試方法得到的屈服點數據如下:
圖2 兩種試驗方法測得的屈服點數據
由上表數據可知,兩種試驗方法的結果具有一定差異,由于油泵冷啟動過程中,滑油的特性呈現一種連續的漸變特性,因此采用第二種方法確定的屈服點更合適。
由圖3可以看出H-B曲線與試驗數據吻合良好,尤其是在屈服點附近。因此,對于大部分的非牛流體,采用H-B模型模擬非牛頓流體的流變特性是合適的。但是對于某些非牛流體,在屈服點之前,用H-B模型計算的粘性與實際值仍有偏差。
如本案例中,在小于屈服點的區域,H-B模型的粘度為常數,而試驗值則要小得多。為考慮CFD結果精度,本案例研究模型最終采用試驗數據進行計算。
圖3 測試數據與Herschel-Bulkley近似的對比(10w30油)
PumpLinx數值分析及結果
本案例采用CFD軟件Pumplinx進行數值模擬。值得一提的是, PumpLinx內置的非牛頓流體的分析模型,既有Bingham和H-B模型,同時也支持用戶自定義流體屬性。本案例即采用自定義方式,滑油的流變特性采用試驗測試數據,指定剪切應力為剪切速率的函數編程寫入PumpLinx軟件中。
剪切應力與剪切速率存在如下關系:
圖4 剪切應力與剪切速率關系公式
本案例試驗裝置如圖5所示,對應的CFD分析模型將油泵吸油通道簡化為一段方形截面(邊長21mm)的吸管,吸管一端連接油箱,一段連接到真空泵。方形管(由聚碳酸酯構成)位于距油箱底部25mm處,初始滑油高度距底部50mm。實驗裝置至于恒溫室中,控制溫度為-40℃,滑油泵提供的吸壓均為60kPa。
圖5 試驗裝置示意圖
CFD計算域采用100萬六面體單元進行離散,針對不同的網格密度和時間步長分別進行了測試,以在合理的計算成本下達到更好的精度。邊界條件如圖6所示。
圖6 仿真模型及邊界條件
對于油泵區域的結構網格生成和動網格設置,可采用PumpLinx內置的機油泵模板功能自動完成,可在幾秒鐘之內完成轉子的結構網格建立,并自動設置動網格,無需任何的二次開發工作。轉子網格如下所示。
圖7 PumpLinx模板生成的油泵轉子區域結構化網格
為驗證CFD分析的精度,將實驗結果和仿真結果進行對比,如圖8所示,兩者得到的吸管內油/氣界面運動結果呈現出良好的吻合,可以確認實驗及仿真結果是可靠的。
圖8
滑油高度增加值的計算預測與實驗對比(10W30,-40℃)
采用PumpLinx對自吸液面進行捕捉,如圖9所示,PumpLinx可以很好地捕捉油/氣的交界面。
圖9
油泵吸油過程及填充滑油流道模擬過程截圖
總結
本案例提出了一種預估冷卻滑油流入發動機為發動機關鍵部件提供潤滑所需時間的一種CFD模擬方法。低溫下滑油的流變學特性(例如-40℃)在根本上跟常溫的不同,且與滑油的種類相關。通過流變測量儀進行測量可以得到精確的低溫滑油特性。
本案例所提出的方法使用可求解非線性流體以及具備高精度多相流模型的CFD軟件PumpLinx計算進油時間。通過和試驗結果對比,數值計算結果與實驗數據吻合較好,驗證了該方法的準確性,這說明在實際的發動機中,可以通過PumpLinx仿真計算油泵冷啟動的吸油時間。
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