【技术贴】基于CFD的发动机系统级解决方案！精华帖！

2016-09-13  by:CAE仿真在线  来源:互联网

1.必要性分析

随着计算机技术的发展,通过仿真方法虚拟再现设备的工作状态已成为各研究单位的主要研究手段。数值仿真可以给出设备正常工作时的各个指标参数,研究设备尺寸参数对性能的影响,亦可分析设备故障状态下的指标变化情况,对故障排除具有较大的指导意义。

对于由泵、阀、管道及其他流阻元件组成的系统级的数值分析,过去多采用一维流体系统的方法进行数值分析。一维流体数值分析的方法可以快速搭建系统模型,并迅速求解,获得系统中各主要位置的流量、压力、速度等结果,为系统分析提供参考依据,是设计人员的得力助手。然而随着人们对数值分析研究的深入,对数值计算结果的精度和可靠性提出了更高要求,同时对于数值计算可提取的结果信息也提出了更高要求。对于一维流体系统分析已不能完全满足设计人员的需要。其主要体现在:

1)一维流体系统的分析计算需要依赖于组成系统的各个部件的性能参数的支撑。然而很多部件用户并没有参数支持,搜集参数的过程具有不确定性,必要时可能需要单独对部件进行性能分析,这就失去了一维分析的高效性的优势;2)一维流体分析可以获得系统的宏观计算信息,然而对于设计人员来说,只获得主要位置的计算结果是往往不够的。无法观察系统某局部位置的详细流场分析,无法快速准确地判定系统故障所在,对于系统内部各组件之间的相互配合相互影响不能快速评估,也无法对系统内部详细的流动分析做出准确分析,这对于系统设计的准确性和稳定性来说都是不够的。3)一维流体系统分析的精确性很大程度上决定于部件参数的准确性和完备性,在某些情况下,对于某些特殊部件还需要做简化或类似处理,这对于计算结果的精度也有较大挑战。

综上所述,对于某些系统的流体分析已不能满足于单纯的一维系统分析,越来越多的研究人员开始着眼于三维系统级分析的研究。系统级的CFD分析由于并不需要部件性能参数的支撑,且可以获得详细准确的流场信息,捕捉系统中泵阀等部件之间的相互配合以及局部流场分布不合理等现象,既

能指导部件级的优化,又能分析指导流体系统的性能改善,已成为发动机设计研发辅助方法的必然发展趋势。2.技术难点分析

系统级的CFD分析虽然具有一维系统分析不可替代的优势,然而系统级三维CFD分析的技术难度使得该领域的研究发展缓慢,主要的原因有以下几点:

1)计算量过于庞大:组成系统的部件众多,以燃油系统为例,包括燃油离心泵、燃油齿轮泵、控制阀门、管道以及其他组成部件,整个系统模型庞大且复杂,网格数少则千万,多则上亿,一般的分析软件和硬件无法承受如此庞大的计算量。2)组成系统的某些部件结构复杂,部件级的CFD分析难度不容小觑:某些组成部件如齿轮泵、阀门、活塞等均为容积式运动机械,对于单个部件的CFD分析在构建其结构网格和设置动网格模型时难度已经很大,系统分析时需要同时考虑所有组成部件,难度更大。3)系统各部件之间相互配合,需要捕捉系统流场的瞬态变化:由于发动机组成系统的泵、阀门、活塞以及管道轴承等部件之间相互影响,阀门的开启关闭、泵的转速变化、轴承油道的不规则运动等都会对系统瞬态效应产生影响,进而影响系统的稳定性分析和评估。这对于计算的难度和精确度都提出了要求。4)受系统部件的不同工作特性影响,需要对某些恶劣工况进行分析,难度加大:例如某些工况下系统内部可能发生空化,严重时可能使系统不能正常工作,涉及到空化的两相流分析,往往会引起CFD计算的收敛性和稳定性的问题。5)某些系统级分析需要分析气液两相的情况:例如油泵的冷启动分析,变速箱的甩油分析、曲轴箱通风的气液两相分析等,均需要对系统进行VOF的两相流分析,这对于计算的难度和速度均提出了挑战。3 解决方案

随着计算机技术的发展,在计算机软硬件的性能提升上都有了较大改观。计算机硬件的飞速发展为系统级CFD分析提供了可以实现的硬件条件。而针对于包含各种运动机械的专业性CFD分析工具性能的不断更新和进步,使得系统级分析的CFD计算得到越来越多的应用。本方案介绍的专业运动机械CFD工具PumpLinx即是系统级分析应用最多最广的一款分析软件。PumpLinx针对于系统级分析的优越性在于:

1) 丰富的运动机械模板:PumpLinx软件针对各类运动机械研发了对应的专业模板,模板将各运动机械的分析流程和规范内置到软件中,对于传统分析难度较大的容积泵、阀门、活塞等,均有模板功能可以自动划分网格并设置动网格,为系统分析模型的顺利搭建和设置保驾护航。2)高度自适应的网格功能:PumpLinx除针对各类运动机械有模板网格支持之外,对于系统的其他组件均可以采用其内置的基于二叉树的笛卡尔网格技术进行高质量的网格划分。这种网格技术相比与四面体网格数量较少、收敛性和稳定更好;其精度与六面体网格相当,其花费时间远远少于六面体网格。3)稳健的两相流分析模型:PumpLinx内置的全空化分析模型和VOF两相分析模型经过丰富的实例验证,其鲁棒性明显优于传统的CFD分析工具,在空化分析和VOF分析方面均有大量的实例应用。4)高效的求解功能:PumpLinx的求解器在传统的CFD求解器基础上进行了优化,相比与传统的CFD工具求解速度更快。结合其强大的网格技术,使得PumpLinx可以顺利进行系统级的CFD分析工作。目前PumpLinx在系统级分析领域已积累较多经验。综上所述,PumpLinx已成为系统级CFD分析的不可或缺的软件工具。4. PumpLinx系统级CFD分析应用介绍4.1 PumpLinx在4缸发动机润滑系统仿真中的应用

德国大众早在2011年即使用PumpLinx将汽车润滑系统中的若干部件同时进行模拟,包含发动机水套、油冷器、机油泵、泄压阀、4缸轴承油道、主油道和其他管道等部件。通过仿真分析从机油泵中泵出的滑油在不同支路中的流量配比情况,评价设计是否能够保证发动机各个部件都得到有效的润滑。对于某些高压工况,控制阀门的配合情况以及空化效应对于系统的影响也得到了细致分析;对于主轴轴承和轴瓦间间隙处润滑效果的模拟也取得了有益的结果。以下是部分可分享的过程图片。

该案例来自凯特比勒公司,如下图所示,该16缸发动机润滑系统由油泵、控压阀,过滤器,冷却器,主油道和连杆油膜等众多部件组成。其网格总数600万,计算时间为9小时每转。

齿轮转速采用恒定转速,即1.33倍的发动机转速;本案例中对于轴承变形也做了细致分析,由动力学分析获得轴承的变形规律,在PumpLinx中作为已知条件进行输入,以动网格进行描述。压力调节滑阀的位移计算是根据流体与结构的相互受力平衡确定,阀芯质量是5kg,弹簧弹性系数是93800N/m,预紧力是2130N。部分计算结果图片如下所示:

为更好地进行数据分析和对比,对油路中各关键位置的计算结果进行检测,具体监测位置如下:

对监测数据进行无量纲分析,并与试验数据进行对比可知,PumpLinx计算结果与试验结果吻合度较高,可以有效指导该类型系统的设计优化。

本案例来自美国福特公司。该发动机冷却系统由水泵、分流阀(节温器)、水套、散热器及管道等组成完整水路系统。建模时间约4小时,计算时间约24小时。

该冷却系统对于节温器的由于温度变化,引起的热胀冷缩过程也进行了真实分析。对于节温器的分流作用,由于节温器随着温度升高,节温器内的石蜡开始融化,逐渐变为液体,体积增大顶开节温器,使冷却液流经散热器和节温器。PumpLinx通过对温度场的分析和石蜡的密度随温度变化的影响进行分析描述,真实模拟冷却系统的分流冷却过程,最终获得令人满意的结果。

发动机机油在低温环境下,机油会表现出复杂的流变行为,此时润滑油粘度会大大增加,变成非牛顿流体状态。此时如果油泵吸油困难则会对发动机发生不可逆转的损害,造成发动机启动困难。因此对于油泵的冷启动自吸性能的分析显得十分重要。

油泵作为容积式运动机械,进行CFD分析时需要构建结构网格并描述动网格运动,传统CFD软件难以完成。此外在低温环境下油品粘度加大,不能以牛顿流体介质对待,油泵吸油过程存在气液两相,油泵是否能正常吸油需要利用多相流的分析手段进行分析,因此数值求解难度加大。

PumpLinx作为专业的运动机械CFD工具,内置有专业的泵模板可快速完成泵的结构网格划分和动网格设置。同时PumpLinx内置有非牛流体模型和基于VOF的多相流分析模型可以较好地实现泵的自吸过程的分析。

PumpLinx作为专业的运动机械分析工具,不仅可以快速完成运动机械的单个部件分析,对于系统级的分析也能很好地适应,其前处理时间和计算求解时间均在可接受范围内,可以在相对较短的时间内获得丰富的数据结果指导设计。值得一提的是,上述系统级分析的案例对于计算机配置并没有特别高的要求,大部分案例的计算均在下述配置的电脑上完成。

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