【技術(shù)分享】發(fā)動機(jī)低溫冷啟動CFD解決方案

2017-03-31  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

背景描述

低溫條件下,發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)曲軸的旋轉(zhuǎn)阻力增加,降低了啟動轉(zhuǎn)速。在極低溫度(-20~-40℃)下,潤滑油呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的流變特性,這種特性是非牛頓的,且在油箱中呈現(xiàn)出一種準(zhǔn)凝膠的固態(tài)形式。

在冷啟動過程中,發(fā)動機(jī)故障的危險性隨著潤滑油到達(dá)泵的時間(泵啟動時間)的增加而增加。因此,準(zhǔn)確評估進(jìn)油時間就尤為重要。

本案例呈現(xiàn)的技術(shù)方法能夠模擬滑油的輸運(yùn)行為并監(jiān)測未預(yù)熱發(fā)動機(jī)中的滑油流動,可以準(zhǔn)確計(jì)算發(fā)動機(jī)啟動過程中滑油從滑油箱到油泵所耗時間。

技術(shù)難點(diǎn)

在極低溫度-40℃下,潤滑油表現(xiàn)出極強(qiáng)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(shù)難點(diǎn)的處理方法:

1、在極低溫度下,滑油呈現(xiàn)出一種準(zhǔn)凝膠的固態(tài)形式,此時的流體不滿足牛頓黏性實(shí)驗(yàn)定律,即其剪應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不是線性關(guān)系,需要對滑油的物性進(jìn)行準(zhǔn)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(jié)構(gòu)網(wǎng)格和動網(wǎng)格,難度較大。

潤滑油流變特性處理

一般而言,預(yù)測工程流體流變特性的方法有數(shù)學(xué)模型預(yù)測方法和試驗(yàn)方法兩種。

數(shù)學(xué)模型預(yù)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(zhì)具有兩個不同的不連續(xù)的流體行為區(qū)域,而實(shí)際上屈服點(diǎn)的確定是比較困難的。一般來說,采用流變測量儀進(jìn)行屈服點(diǎn)的測定方式更為精確。

圖1 H-B流體模型

采用試驗(yàn)方法預(yù)測屈服點(diǎn)常用方法有兩種:(a)振蕩剪切速率振幅掃描、(b)線性剪切應(yīng)力測試兩類。兩種測試方法得到的屈服點(diǎn)數(shù)據(jù)如下:

圖2 兩種試驗(yàn)方法測得的屈服點(diǎn)數(shù)據(jù)

由上表數(shù)據(jù)可知,兩種試驗(yàn)方法的結(jié)果具有一定差異,由于油泵冷啟動過程中,滑油的特性呈現(xiàn)一種連續(xù)的漸變特性,因此采用第二種方法確定的屈服點(diǎn)更合適。

由圖3可以看出H-B曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好,尤其是在屈服點(diǎn)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(diǎn)之前,用H-B模型計(jì)算的粘性與實(shí)際值仍有偏差。

如本案例中,在小于屈服點(diǎn)的區(qū)域,H-B模型的粘度為常數(shù),而試驗(yàn)值則要小得多。為考慮CFD結(jié)果精度,本案例研究模型最終采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

PumpLinx數(shù)值分析及結(jié)果

本案例采用CFD軟件Pumplinx進(jìn)行數(shù)值模擬。值得一提的是, PumpLinx內(nèi)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(yàn)測試數(shù)據(jù),指定剪切應(yīng)力為剪切速率的函數(shù)編程寫入PumpLinx軟件中。

剪切應(yīng)力與剪切速率存在如下關(guān)系:

圖4 剪切應(yīng)力與剪切速率關(guān)系公式

本案例試驗(yàn)裝置如圖5所示,對應(yīng)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(gòu)成)位于距油箱底部25mm處,初始滑油高度距底部50mm。實(shí)驗(yàn)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(yàn)裝置示意圖

CFD計(jì)算域采用100萬六面體單元進(jìn)行離散,針對不同的網(wǎng)格密度和時間步長分別進(jìn)行了測試,以在合理的計(jì)算成本下達(dá)到更好的精度。邊界條件如圖6所示。

對于油泵區(qū)域的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成和動網(wǎng)格設(shè)置,可采用PumpLinx內(nèi)置的機(jī)油泵模板功能自動完成,可在幾秒鐘之內(nèi)完成轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格建立,并自動設(shè)置動網(wǎng)格,無需任何的二次開發(fā)工作。轉(zhuǎn)子網(wǎng)格如下所示。

為驗(yàn)證CFD分析的精度,將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行對比,如圖8所示,兩者得到的吸管內(nèi)油/氣界面運(yùn)動結(jié)果呈現(xiàn)出良好的吻合,可以確認(rèn)實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果是可靠的。

圖8

采用PumpLinx對自吸液面進(jìn)行捕捉,如圖9所示,PumpLinx可以很好地捕捉油/氣的交界面。

圖9

總結(jié)

本案例提出了一種預(yù)估冷卻滑油流入發(fā)動機(jī)為發(fā)動機(jī)關(guān)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(xué)特性(例如-40℃)在根本上跟常溫的不同,且與滑油的種類相關(guān)。通過流變測量儀進(jìn)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(jì)算進(jìn)油時間。通過和試驗(yàn)結(jié)果對比,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好,驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性,這說明在實(shí)際的發(fā)動機(jī)中,可以通過PumpLinx仿真計(jì)算油泵冷啟動的吸油時間。

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