【技術(shù)貼】基于CFD的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)級(jí)解決方案！精華帖！

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

1.必要性分析

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,通過(guò)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(shí)的各個(gè)指標(biāo)參數(shù),研究設(shè)備尺寸參數(shù)對(duì)性能的影響,亦可分析設(shè)備故障狀態(tài)下的指標(biāo)變化情況,對(duì)故障排除具有較大的指導(dǎo)意義。

對(duì)于由泵、閥、管道及其他流阻元件組成的系統(tǒng)級(jí)的數(shù)值分析,過(guò)去多采用一維流體系統(tǒng)的方法進(jìn)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(jì)人員的得力助手。然而隨著人們對(duì)數(shù)值分析研究的深入,對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精度和可靠性提出了更高要求,同時(shí)對(duì)于數(shù)值計(jì)算可提取的結(jié)果信息也提出了更高要求。對(duì)于一維流體系統(tǒng)分析已不能完全滿足設(shè)計(jì)人員的需要。其主要體現(xiàn)在:

1)一維流體系統(tǒng)的分析計(jì)算需要依賴于組成系統(tǒng)的各個(gè)部件的性能參數(shù)的支撐。然而很多部件用戶并沒(méi)有參數(shù)支持,搜集參數(shù)的過(guò)程具有不確定性,必要時(shí)可能需要單獨(dú)對(duì)部件進(jìn)行性能分析,這就失去了一維分析的高效性的優(yōu)勢(shì);2)一維流體分析可以獲得系統(tǒng)的宏觀計(jì)算信息,然而對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),只獲得主要位置的計(jì)算結(jié)果是往往不夠的。無(wú)法觀察系統(tǒng)某局部位置的詳細(xì)流場(chǎng)分析,無(wú)法快速準(zhǔn)確地判定系統(tǒng)故障所在,對(duì)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(píng)估,也無(wú)法對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部詳細(xì)的流動(dòng)分析做出準(zhǔn)確分析,這對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)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(zhǔn)確性和完備性,在某些情況下,對(duì)于某些特殊部件還需要做簡(jiǎn)化或類似處理,這對(duì)于計(jì)算結(jié)果的精度也有較大挑戰(zhàn)。

綜上所述,對(duì)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(lái)越多的研究人員開(kāi)始著眼于三維系統(tǒng)級(jí)分析的研究。系統(tǒng)級(jí)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(xì)準(zhǔn)確的流場(chǎng)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(chǎng)分布不合理等現(xiàn)象,既

能指導(dǎo)部件級(jí)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)輔助方法的必然發(fā)展趨勢(shì)。2.技術(shù)難點(diǎn)分析

系統(tǒng)級(jí)的CFD分析雖然具有一維系統(tǒng)分析不可替代的優(yōu)勢(shì),然而系統(tǒng)級(jí)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(diǎn):

1)計(jì)算量過(guò)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(mén)、管道以及其他組成部件,整個(gè)系統(tǒng)模型龐大且復(fù)雜,網(wǎng)格數(shù)少則千萬(wàn),多則上億,一般的分析軟件和硬件無(wú)法承受如此龐大的計(jì)算量。2)組成系統(tǒng)的某些部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,部件級(jí)的CFD分析難度不容小覷:某些組成部件如齒輪泵、閥門(mén)、活塞等均為容積式運(yùn)動(dòng)機(jī)械,對(duì)于單個(gè)部件的CFD分析在構(gòu)建其結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格模型時(shí)難度已經(jīng)很大,系統(tǒng)分析時(shí)需要同時(shí)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(chǎng)的瞬態(tài)變化:由于發(fā)動(dòng)機(jī)組成系統(tǒng)的泵、閥門(mén)、活塞以及管道軸承等部件之間相互影響,閥門(mén)的開(kāi)啟關(guān)閉、泵的轉(zhuǎn)速變化、軸承油道的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)等都會(huì)對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和評(píng)估。這對(duì)于計(jì)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(duì)某些惡劣工況進(jìn)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(yán)重時(shí)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(huì)引起CFD計(jì)算的收斂性和穩(wěn)定性的問(wèn)題。5)某些系統(tǒng)級(jí)分析需要分析氣液兩相的情況:例如油泵的冷啟動(dòng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行VOF的兩相流分析,這對(duì)于計(jì)算的難度和速度均提出了挑戰(zhàn)。3 解決方案

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,在計(jì)算機(jī)軟硬件的性能提升上都有了較大改觀。計(jì)算機(jī)硬件的飛速發(fā)展為系統(tǒng)級(jí)CFD分析提供了可以實(shí)現(xiàn)的硬件條件。而針對(duì)于包含各種運(yùn)動(dòng)機(jī)械的專業(yè)性CFD分析工具性能的不斷更新和進(jìn)步,使得系統(tǒng)級(jí)分析的CFD計(jì)算得到越來(lái)越多的應(yīng)用。本方案介紹的專業(yè)運(yùn)動(dòng)機(jī)械CFD工具PumpLinx即是系統(tǒng)級(jí)分析應(yīng)用最多最廣的一款分析軟件。PumpLinx針對(duì)于系統(tǒng)級(jí)分析的優(yōu)越性在于:

1) 豐富的運(yùn)動(dòng)機(jī)械模板:PumpLinx軟件針對(duì)各類運(yùn)動(dòng)機(jī)械研發(fā)了對(duì)應(yīng)的專業(yè)模板,模板將各運(yùn)動(dòng)機(jī)械的分析流程和規(guī)范內(nèi)置到軟件中,對(duì)于傳統(tǒng)分析難度較大的容積泵、閥門(mén)、活塞等,均有模板功能可以自動(dòng)劃分網(wǎng)格并設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格,為系統(tǒng)分析模型的順利搭建和設(shè)置保駕護(hù)航。2)高度自適應(yīng)的網(wǎng)格功能:PumpLinx除針對(duì)各類運(yùn)動(dòng)機(jī)械有模板網(wǎng)格支持之外,對(duì)于系統(tǒng)的其他組件均可以采用其內(nèi)置的基于二叉樹(shù)的笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)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(dāng),其花費(fèi)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guò)豐富的實(shí)例驗(yàn)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(shí)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(jìn)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(qiáng)大的網(wǎng)格技術(shù),使得PumpLinx可以順利進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的CFD分析工作。目前PumpLinx在系統(tǒng)級(jí)分析領(lǐng)域已積累較多經(jīng)驗(yàn)。綜上所述,PumpLinx已成為系統(tǒng)級(jí)CFD分析的不可或缺的軟件工具。4. PumpLinx系統(tǒng)級(jí)CFD分析應(yīng)用介紹4.1 PumpLinx在4缸發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用

德國(guó)大眾早在2011年即使用PumpLinx將汽車潤(rùn)滑系統(tǒng)中的若干部件同時(shí)進(jìn)行模擬,包含發(fā)動(dòng)機(jī)水套、油冷器、機(jī)油泵、泄壓閥、4缸軸承油道、主油道和其他管道等部件。通過(guò)仿真分析從機(jī)油泵中泵出的滑油在不同支路中的流量配比情況,評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)是否能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件都得到有效的潤(rùn)滑。對(duì)于某些高壓工況,控制閥門(mén)的配合情況以及空化效應(yīng)對(duì)于系統(tǒng)的影響也得到了細(xì)致分析;對(duì)于主軸軸承和軸瓦間間隙處潤(rùn)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(guò)程圖片。

4.2 PumpLinx在16缸發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)仿真應(yīng)用

該案例來(lái)自凱特比勒公司,如下圖所示,該16缸發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)由油泵、控壓閥,過(guò)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(wàn),計(jì)算時(shí)間為9小時(shí)每轉(zhuǎn)。

本系統(tǒng)級(jí)仿真采用瞬態(tài)計(jì)算,潤(rùn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;本案例中對(duì)于軸承變形也做了細(xì)致分析,由動(dòng)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(jìn)行輸入,以動(dòng)網(wǎng)格進(jìn)行描述。壓力調(diào)節(jié)滑閥的位移計(jì)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(jì)算結(jié)果圖片如下所示:

為更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和對(duì)比,對(duì)油路中各關(guān)鍵位置的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢測(cè),具體監(jiān)測(cè)位置如下:

對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱分析,并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可知,PumpLinx計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)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(jì)優(yōu)化。

4.3 PumpLinx在冷卻系統(tǒng)分析中的應(yīng)用

本案例來(lái)自美國(guó)福特公司。該發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)間約4小時(shí),計(jì)算時(shí)間約24小時(shí)。

該冷卻系統(tǒng)對(duì)于節(jié)溫器的由于溫度變化,引起的熱脹冷縮過(guò)程也進(jìn)行了真實(shí)分析。對(duì)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(kāi)始融化,逐漸變?yōu)橐后w,體積增大頂開(kāi)節(jié)溫器,使冷卻液流經(jīng)散熱器和節(jié)溫器。PumpLinx通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)的分析和石蠟的密度隨溫度變化的影響進(jìn)行分析描述,真實(shí)模擬冷卻系統(tǒng)的分流冷卻過(guò)程,最終獲得令人滿意的結(jié)果。

4.4 發(fā)動(dòng)機(jī)油泵冷啟動(dòng)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油在低溫環(huán)境下,機(jī)油會(huì)表現(xiàn)出復(fù)雜的流變行為,此時(shí)潤(rùn)滑油粘度會(huì)大大增加,變成非牛頓流體狀態(tài)。此時(shí)如果油泵吸油困難則會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的損害,造成發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)困難。因此對(duì)于油泵的冷啟動(dòng)自吸性能的分析顯得十分重要。

油泵作為容積式運(yùn)動(dòng)機(jī)械,進(jìn)行CFD分析時(shí)需要構(gòu)建結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并描述動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng),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(duì)待,油泵吸油過(guò)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(jìn)行分析,因此數(shù)值求解難度加大。

PumpLinx作為專業(yè)的運(yùn)動(dòng)機(jī)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(dòng)網(wǎng)格設(shè)置。同時(shí)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(shí)現(xiàn)泵的自吸過(guò)程的分析。

小結(jié)

PumpLinx作為專業(yè)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械分析工具,不僅可以快速完成運(yùn)動(dòng)機(jī)械的單個(gè)部件分析,對(duì)于系統(tǒng)級(jí)的分析也能很好地適應(yīng),其前處理時(shí)間和計(jì)算求解時(shí)間均在可接受范圍內(nèi),可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)獲得豐富的數(shù)據(jù)結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)。值得一提的是,上述系統(tǒng)級(jí)分析的案例對(duì)于計(jì)算機(jī)配置并沒(méi)有特別高的要求,大部分案例的計(jì)算均在下述配置的電腦上完成。

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