搜索福特汽車如何開展冷卻系統(tǒng)的三維CFD分析？
2017-10-09 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
1、冷卻系統(tǒng)流體力學(xué)分析的常用方法概述
發(fā)動機(jī)工作時,氣缸內(nèi)的氣體溫度可高達(dá)1927-2527℃,若不及時冷卻,將造成發(fā)動機(jī)零部件溫度過高,尤其是直接與高溫氣體接觸的零件,會因受熱膨脹影響正常的配合間隙,導(dǎo)致運(yùn)動件運(yùn)動受阻甚至卡死。目前對于發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的流體分析一般有一維和三維分析兩種手段,二者各有優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)性,在研發(fā)過程中可配合使用。
1D仿真的特點(diǎn)有:
-
多用于初期設(shè)計階段,研究元件在系統(tǒng)當(dāng)中的匹配特性以及系統(tǒng)的宏觀特性;
-
需要標(biāo)定的特性參數(shù)較多;
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需要專業(yè)的元件參數(shù)支撐;
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求解速度快;
-
可獲得系統(tǒng)的宏觀特性結(jié)果;
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無法得到系統(tǒng)關(guān)鍵部件內(nèi)部的顯著流動狀況。
3D仿真的特點(diǎn)有:
-
多用于詳細(xì)設(shè)計階段,根據(jù)實(shí)物模型結(jié)構(gòu)尺寸搭建;
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可精確分析關(guān)鍵設(shè)備(如節(jié)溫器、冷卻水泵等)的行為特征及在系統(tǒng)中的工作匹配性;
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模型尺寸變化可直接反應(yīng)在三維模型當(dāng)中,是實(shí)物模型的真實(shí)反應(yīng);
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可直接獲得三維效應(yīng)對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。
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計算結(jié)果更詳細(xì)、準(zhǔn)確
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計算速度比1D慢。
由于一維流體系統(tǒng)模擬的快速性和簡便性,以及3D仿真的難度和計算周期使得用戶大多數(shù)采用1D仿真的手段進(jìn)行系統(tǒng)的性能預(yù)測。而隨著設(shè)計要求的提高和對于詳細(xì)設(shè)計的優(yōu)化改進(jìn)要求,1D仿真的手段已不能滿足設(shè)計人員的需求,越來越多的研究人員開始嘗試用三維CFD模擬的手段來進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的模擬分析。
2、發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)CFD模擬的技術(shù)難點(diǎn)
對于包含多個零部件的冷卻系統(tǒng)CFD分析而言,從幾何模型、物理模型和數(shù)值計算分析各方面而言,均十分具有挑戰(zhàn)性:
1.幾何模型的復(fù)雜性:
-
組成零部件數(shù)量較多,部分零部件結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜;
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系統(tǒng)內(nèi)包含多個運(yùn)動部件,相互之間存在協(xié)同運(yùn)動;
-
部分區(qū)域存在小間隙流動。
2.物理現(xiàn)象的復(fù)雜性:
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需要考慮系統(tǒng)內(nèi)的紊流、空化和熱傳遞現(xiàn)象;
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發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨時間或運(yùn)行條件變化;
-
節(jié)溫器內(nèi)石蠟會隨溫度變化而發(fā)生相變,且需要考慮固體分布的導(dǎo)熱對于石蠟溫度的影響。
3.數(shù)值計算的復(fù)雜性:
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部分運(yùn)動機(jī)械需要應(yīng)用動網(wǎng)格技術(shù),且需要考慮流固耦合運(yùn)動(例如節(jié)溫器閥門);
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石蠟融化引起閥門開度變化存在滯后效應(yīng),需要對該過程進(jìn)行模擬;
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系統(tǒng)內(nèi)可能發(fā)生空化,對于兩相流模擬的收斂穩(wěn)定有較高要求;
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對于系統(tǒng)級的CFD模擬,需要有合理的計算時間和可接受的工程精度,方可對流體系統(tǒng)進(jìn)行有效分析并指導(dǎo)設(shè)計改進(jìn)。
鑒于上述技術(shù)難點(diǎn),極少有CFD分析工具可以較好地進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的CFD模擬。而PumpLinx前處理功能的先進(jìn)性、模板優(yōu)勢和求解的快速穩(wěn)定性使得對于此類系統(tǒng)的仿真變得相對容易。
3、PumpLinx冷卻系統(tǒng)案例介紹
3.1 模型概述
圖1 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)示意圖
汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由以下幾個部件構(gòu)成:發(fā)動機(jī)冷卻水套,冷卻泵,節(jié)溫器,散熱器、暖風(fēng)器以及連接管路等組成。
對于部分重要零部件模型的幾點(diǎn)說明:
1)節(jié)溫器
節(jié)溫器主要起到控制冷卻系統(tǒng)回路的作用。其內(nèi)部包含兩個運(yùn)動機(jī)構(gòu),即提升閥和旁通閥。提升閥(淺藍(lán)色和深藍(lán)色)的運(yùn)動由石蠟的融化和凝固控制,石蠟融化后由于密度和體積的變化,使得運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位置發(fā)生變化,從而控制流量分配;旁通閥(褐色)運(yùn)動則是由流體力和彈簧力共同作用,通過構(gòu)建閥門運(yùn)動的動力學(xué)常微分方程并求解得到。
圖 2節(jié)溫器剖面圖
2)多孔介質(zhì)模型應(yīng)用
冷卻系統(tǒng)包含多個過流部件,為降低網(wǎng)格數(shù)量并保證計算結(jié)果的精度,對于部分過流部件采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行計算。本系統(tǒng)中散熱器,暖風(fēng)器以及發(fā)動機(jī)均采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行仿真計算。
3.2 網(wǎng)格劃分
PumpLinx能夠通過二元細(xì)化和自適應(yīng)技術(shù)來建立高效、高分辨率的網(wǎng)格,即使尺度差異懸殊的復(fù)雜幾何也是如此。本系統(tǒng)中發(fā)動機(jī)水套、冷卻水泵、節(jié)溫器的定子區(qū)域和連接管路等均采用二叉樹網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格總數(shù)約270萬。
圖3 各過流部件網(wǎng)格結(jié)果
對于構(gòu)成節(jié)溫器部件的提升閥和旁通閥部分,則應(yīng)用PumpLinx的閥模塊技術(shù),自動生成運(yùn)動區(qū)域的高質(zhì)量網(wǎng)格,并能根據(jù)計算獲得的閥門位移結(jié)果,自適應(yīng)調(diào)整網(wǎng)格變化,無需其他的開發(fā)工作。
圖4 不同位移提升閥和旁通閥的網(wǎng)格變化(10s)
圖5 不同位移提升閥和旁通閥的網(wǎng)格變化(256s)
3.3 模型設(shè)置
-
采用非定常計算,其中速度項采用二階計算;
-
調(diào)用離心泵模板,應(yīng)用MRF技術(shù)設(shè)置動網(wǎng)格;
-
調(diào)用閥門模板,自動構(gòu)建閥門運(yùn)動的動力學(xué)方程,并自動設(shè)置動網(wǎng)格運(yùn)動;
-
調(diào)用傳熱模型,計算流體部分的傳熱以及節(jié)溫器固體部分的導(dǎo)熱;
-
湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型。
3.4邊界條件設(shè)置
3.4.1 轉(zhuǎn)速
對兩種轉(zhuǎn)速工況進(jìn)行了模擬分析:低轉(zhuǎn)速(Case A)和變轉(zhuǎn)速(Case B)。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與冷卻水泵采用固定轉(zhuǎn)速比1.22,具體參數(shù)如下表所示。
轉(zhuǎn)速工況參數(shù)
|
工況 |
發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm) |
冷卻泵轉(zhuǎn)速(rpm) |
時間(s) |
|
Case A |
770 |
940 |
定轉(zhuǎn)速 |
|
Case B |
3000 |
3669 |
0~360 |
|
3300 |
4035.9 |
360~540 |
|
|
3000 |
3669 |
>540 |
3.4.2提升閥
提升閥是由石蠟溫度變化引起的融化與凝固導(dǎo)致體積變化從而控制閥門運(yùn)動的,因此需要考慮石蠟以及與石蠟接觸的固體部件的導(dǎo)熱影響,各組成部分的熱屬性參數(shù)如下:
|
|
密度(kg/m3) |
粘度(Pa.s) |
比熱(J/kg.K) |
熱導(dǎo)率(W/m.K) |
|
冷卻液 |
1030 |
0.00064 |
3684 |
0.4 |
|
固體針 |
7600 |
|
490 |
30 |
|
運(yùn)動閥芯 |
8900 |
|
386 |
385 |
|
石蠟 |
密度隨溫度變化 |
|
比熱隨溫度變化 |
0.25 |
石蠟的滯后效應(yīng)模擬應(yīng)用了石蠟的熱焓變化特性,如下圖所示,根據(jù)石蠟的熱流量方向,確定石蠟的融化或凝固過程,定義不同的熱焓特性曲線,應(yīng)用該方法可以較好地模擬石蠟的滯后效應(yīng)。
圖6 石蠟熱焓隨溫度變化(融化或凝固曲線不完全重合)
3.4.3 旁通閥
旁通閥的運(yùn)動是由作用在閥體上的流體力和彈簧力共同決定的,通過求解動力學(xué)方程控制閥體的運(yùn)動,PumpLinx中只需蛇者彈簧剛度,預(yù)緊力以及閥門質(zhì)量等參數(shù)即可自動構(gòu)建閥門運(yùn)動的動力學(xué)方程:
具體參數(shù)如下表所示:
閥門運(yùn)動模擬參數(shù)設(shè)置
|
閥芯質(zhì)量 |
20.14g |
|
彈簧剛度 |
850.63N/m |
|
彈簧預(yù)緊力 |
3.742N |
3.4.4 多孔介質(zhì)模型
對于Case A,發(fā)動機(jī)水套采用真實(shí)模型,散熱器以及暖風(fēng)器采用多孔介質(zhì)模型;對于Case B,發(fā)動機(jī)水套,散熱器以及暖風(fēng)器在仿真過程中采用多孔介質(zhì)模型,具體設(shè)置參數(shù)如下圖所示。
圖7 多孔介質(zhì)模型設(shè)置
3.4.5 熱源
本文在發(fā)動機(jī)水套(上下兩部分),散熱器和暖風(fēng)器位置設(shè)置熱源,熱源大小與各部件冷卻液的流量相關(guān),其計算公式為:
其中,m為數(shù)值模擬獲得的冷卻液的流量,Cp為冷卻液比熱3684J/kg.K,為各部件進(jìn)出口溫度差(由試驗獲得)。
熱源設(shè)置代碼如下所示。
圖8 PumpLinx各部件熱源設(shè)置
圖9 部分設(shè)置代碼
3.5 結(jié)果展示
3.5.1 Case A:低轉(zhuǎn)速(固定轉(zhuǎn)速)
提升閥開啟過程:冷卻系統(tǒng)的起始溫度為60℃,發(fā)動機(jī)不斷產(chǎn)生熱量,當(dāng)溫度達(dá)到石蠟融點(diǎn)時,閥門開啟,節(jié)溫器打開。500s時,閥門全部開啟。
圖10-1 50s時刻溫度分布及閥門位置
圖10-2 100s時刻溫度分布及閥門位置
圖10-3 300s時刻溫度分布及閥門位置
圖10-4 400s時刻溫度分布及閥門位置
圖10-5 500s時刻溫度分布及閥門位置
-
提升閥位移變化
下圖為提升閥隨時間變化的位移曲線對比,其中藍(lán)色為試驗曲線,紅色為CFD仿真曲線,兩者高度吻合。
圖11 提升閥位移試驗-仿真結(jié)果對比
-
流量監(jiān)測
下圖分別是不同時刻系統(tǒng)中各過流部件的流量結(jié)果對比。其中藍(lán)色為試驗結(jié)果,紅色為仿真結(jié)果,最大誤差不超過5%。
圖12 體積流量結(jié)果對比
3.5.2 Case B:高轉(zhuǎn)速(變轉(zhuǎn)速)
-
提升閥位移
下圖為提升閥隨時間變化的位移曲線對比,從仿真結(jié)果來看,CFD模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高。
圖13 提升閥位移變化曲線
-
流量監(jiān)測
下圖分別是不同時刻系統(tǒng)中各過流部件的體積流量曲線圖。圖中,藍(lán)色為試驗結(jié)果,紅色為仿真結(jié)果,從圖中可以看出,除了暖風(fēng)器以外,其余過流部件結(jié)果精度均較高,暖風(fēng)器雖然誤差相對于大一些,但是,試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的曲線走勢是一致的,導(dǎo)致誤差的原因有可能是流量計的阻抗或者是壓力傳感器的原因。
圖14 發(fā)動機(jī)水套流量曲線
圖15 散熱器流量曲線
圖16 支路流量曲線
圖17暖風(fēng)器流量曲線
-
溫度
下圖為冷卻系統(tǒng)各過流部件溫度分布曲線,結(jié)果精度同樣很高。
圖18 溫度-時間變化曲線
-
滯后效應(yīng)
下圖為隨石蠟融化及凝固,提升閥門的位移變化,從圖中可以看到明顯的滯后效應(yīng)。
圖19 提升閥滯后曲線
下圖為提升閥隨著冷卻劑溫度變化的位移曲線。從圖中可以看出,當(dāng)溫度在到達(dá)石蠟融點(diǎn)之前,閥門處于關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)溫度高于石蠟融點(diǎn)時,石蠟開始融化,閥門開始移動,溫度最高時,閥門全部打開,當(dāng)溫度逐漸降低至石蠟?zāi)厅c(diǎn)之前,閥門保持全開狀態(tài),當(dāng)溫度低于石蠟?zāi)厅c(diǎn)之后,閥門開始關(guān)閉,直至最后全部關(guān)閉。
圖20 提升閥位移-冷卻劑溫度變化曲線
4、小結(jié)
本案例利用PumpLinx軟件模擬了一個能夠全面描述汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的三維瞬態(tài)CFD模型,并取得了較好的結(jié)果,對于發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的CFD模擬而言,是一個不錯的開端。本文所應(yīng)用的一些主要技術(shù)點(diǎn)如下:
-
可同時精確分析系統(tǒng)工作特性以及節(jié)溫器、冷卻水泵等關(guān)鍵設(shè)備的行為特征;
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對于冷卻水泵的定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速均進(jìn)行了模擬,不同工況計算獲得的系統(tǒng)瞬態(tài)流量分布結(jié)果精度較高;
-
對于石蠟相變所采用的簡化方法,可以獲得合理的計算結(jié)果,可以較好地評估滯后效應(yīng)的影響;
-
對于由于石蠟相變引起的閥門運(yùn)動可以較好地處理;
-
對于節(jié)溫器進(jìn)行了細(xì)致的分析,可以較好地分析提升閥和旁通閥之間的相互作用,并同時考慮冷卻液和固體結(jié)構(gòu)熱傳遞對于提升閥內(nèi)石蠟的影響;
-
仿真對于各零部件的參數(shù)要求較低,通過應(yīng)用一些簡化模型,可以有效控制系統(tǒng)的網(wǎng)格數(shù)量,系統(tǒng)建模時間和求解時間相對較短;
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算例采用的CFD算法對其他類型系統(tǒng)同樣適用。
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