【技術(shù)貼】基于CFD的發(fā)動機系統(tǒng)級解決方案！精華帖！

2016-09-13 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1.必要性分析

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

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

1)一維流體系統(tǒng)的分析計算需要依賴于組成系統(tǒng)的各個部件的性能參數(shù)的支撐。然而很多部件用戶并沒有參數(shù)支持,搜集參數(shù)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(yōu)勢;2)一維流體分析可以獲得系統(tǒng)的宏觀計算信息,然而對于設(shè)計人員來說,只獲得主要位置的計算結(jié)果是往往不夠的。無法觀察系統(tǒng)某局部位置的詳細流場分析,無法快速準確地判定系統(tǒng)故障所在,對于系統(tǒng)內(nèi)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(tǒng)內(nèi)部詳細的流動分析做出準確分析,這對于系統(tǒng)設(shè)計的準確性和穩(wěn)定性來說都是不夠的。3)一維流體系統(tǒng)分析的精確性很大程度上決定于部件參數(shù)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(jié)果的精度也有較大挑戰(zhàn)。

綜上所述,對于某些系統(tǒng)的流體分析已不能滿足于單純的一維系統(tǒng)分析,越來越多的研究人員開始著眼于三維系統(tǒng)級分析的研究。系統(tǒng)級的CFD分析由于并不需要部件性能參數(shù)的支撐,且可以獲得詳細準確的流場信息,捕捉系統(tǒng)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(xiàn)象,既

能指導(dǎo)部件級的優(yōu)化,又能分析指導(dǎo)流體系統(tǒng)的性能改善,已成為發(fā)動機設(shè)計研發(fā)輔助方法的必然發(fā)展趨勢。2.技術(shù)難點分析

系統(tǒng)級的CFD分析雖然具有一維系統(tǒng)分析不可替代的優(yōu)勢,然而系統(tǒng)級三維CFD分析的技術(shù)難度使得該領(lǐng)域的研究發(fā)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(tǒng)的部件眾多,以燃油系統(tǒng)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(tǒng)模型龐大且復(fù)雜,網(wǎng)格數(shù)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(tǒng)的某些部件結(jié)構(gòu)復(fù)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(gòu)建其結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和設(shè)置動網(wǎng)格模型時難度已經(jīng)很大,系統(tǒng)分析時需要同時考慮所有組成部件,難度更大。3)系統(tǒng)各部件之間相互配合,需要捕捉系統(tǒng)流場的瞬態(tài)變化:由于發(fā)動機組成系統(tǒng)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(guān)閉、泵的轉(zhuǎn)速變化、軸承油道的不規(guī)則運動等都會對系統(tǒng)瞬態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生影響,進而影響系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)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(tǒng)內(nèi)部可能發(fā)生空化,嚴重時可能使系統(tǒng)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(wěn)定性的問題。5)某些系統(tǒng)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(fēng)的氣液兩相分析等,均需要對系統(tǒng)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(zhàn)。3 解決方案

隨著計算機技術(shù)的發(fā)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(fā)展為系統(tǒng)級CFD分析提供了可以實現(xiàn)的硬件條件。而針對于包含各種運動機械的專業(yè)性CFD分析工具性能的不斷更新和進步,使得系統(tǒng)級分析的CFD計算得到越來越多的應(yīng)用。本方案介紹的專業(yè)運動機械CFD工具PumpLinx即是系統(tǒng)級分析應(yīng)用最多最廣的一款分析軟件。PumpLinx針對于系統(tǒng)級分析的優(yōu)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(fā)了對應(yīng)的專業(yè)模板,模板將各運動機械的分析流程和規(guī)范內(nèi)置到軟件中,對于傳統(tǒng)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(wǎng)格并設(shè)置動網(wǎng)格,為系統(tǒng)分析模型的順利搭建和設(shè)置保駕護航。2)高度自適應(yīng)的網(wǎng)格功能:PumpLinx除針對各類運動機械有模板網(wǎng)格支持之外,對于系統(tǒng)的其他組件均可以采用其內(nèi)置的基于二叉樹的笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)進行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。這種網(wǎng)格技術(shù)相比與四面體網(wǎng)格數(shù)量較少、收斂性和穩(wěn)定更好;其精度與六面體網(wǎng)格相當,其花費時間遠遠少于六面體網(wǎng)格。3)穩(wěn)健的兩相流分析模型:PumpLinx內(nèi)置的全空化分析模型和VOF兩相分析模型經(jīng)過豐富的實例驗證,其魯棒性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)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(yīng)用。4)高效的求解功能:PumpLinx的求解器在傳統(tǒng)的CFD求解器基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化,相比與傳統(tǒng)的CFD工具求解速度更快。結(jié)合其強大的網(wǎng)格技術(shù),使得PumpLinx可以順利進行系統(tǒng)級的CFD分析工作。目前PumpLinx在系統(tǒng)級分析領(lǐng)域已積累較多經(jīng)驗。綜上所述,PumpLinx已成為系統(tǒng)級CFD分析的不可或缺的軟件工具。4. PumpLinx系統(tǒng)級CFD分析應(yīng)用介紹4.1 PumpLinx在4缸發(fā)動機潤滑系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用

德國大眾早在2011年即使用PumpLinx將汽車潤滑系統(tǒng)中的若干部件同時進行模擬,包含發(fā)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(shè)計是否能夠保證發(fā)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(yīng)對于系統(tǒng)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(jié)果。以下是部分可分享的過程圖片。

4.2 PumpLinx在16缸發(fā)動機潤滑系統(tǒng)仿真應(yīng)用

該案例來自凱特比勒公司,如下圖所示,該16缸發(fā)動機潤滑系統(tǒng)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(wǎng)格總數(shù)600萬,計算時間為9小時每轉(zhuǎn)。

本系統(tǒng)級仿真采用瞬態(tài)計算,潤滑油的物性參數(shù)如下表所示。

齒輪轉(zhuǎn)速采用恒定轉(zhuǎn)速,即1.33倍的發(fā)動機轉(zhuǎn)速;本案例中對于軸承變形也做了細致分析,由動力學(xué)分析獲得軸承的變形規(guī)律,在PumpLinx中作為已知條件進行輸入,以動網(wǎng)格進行描述。壓力調(diào)節(jié)滑閥的位移計算是根據(jù)流體與結(jié)構(gòu)的相互受力平衡確定,閥芯質(zhì)量是5kg,彈簧彈性系數(shù)是93800N/m,預(yù)緊力是2130N。部分計算結(jié)果圖片如下所示:

為更好地進行數(shù)據(jù)分析和對比,對油路中各關(guān)鍵位置的計算結(jié)果進行檢測,具體監(jiān)測位置如下:

對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行無量綱分析,并與試驗數(shù)據(jù)進行對比可知,PumpLinx計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高,可以有效指導(dǎo)該類型系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化。

4.3 PumpLinx在冷卻系統(tǒng)分析中的應(yīng)用

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

該冷卻系統(tǒng)對于節(jié)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(jié)溫器的分流作用,由于節(jié)溫器隨著溫度升高,節(jié)溫器內(nèi)的石蠟開始融化,逐漸變?yōu)橐后w,體積增大頂開節(jié)溫器,使冷卻液流經(jīng)散熱器和節(jié)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(tǒng)的分流冷卻過程,最終獲得令人滿意的結(jié)果。

4.4 發(fā)動機油泵冷啟動分析

發(fā)動機機油在低溫環(huán)境下,機油會表現(xiàn)出復(fù)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(tài)。此時如果油泵吸油困難則會對發(fā)動機發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損害,造成發(fā)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(gòu)建結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并描述動網(wǎng)格運動,傳統(tǒng)CFD軟件難以完成。此外在低溫環(huán)境下油品粘度加大,不能以牛頓流體介質(zhì)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(shù)值求解難度加大。

PumpLinx作為專業(yè)的運動機械CFD工具,內(nèi)置有專業(yè)的泵模板可快速完成泵的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分和動網(wǎng)格設(shè)置。同時PumpLinx內(nèi)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(xiàn)泵的自吸過程的分析。

小結(jié)

PumpLinx作為專業(yè)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(tǒng)級的分析也能很好地適應(yīng),其前處理時間和計算求解時間均在可接受范圍內(nèi),可以在相對較短的時間內(nèi)獲得豐富的數(shù)據(jù)結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計。值得一提的是,上述系統(tǒng)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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