【技术分享】发动机低温冷启动CFD解决方案

2017-03-31  by:CAE仿真在线  来源:互联网

背景描述

低温条件下,发动机启动困难的主要原因是润滑油粘度增大,润滑油粘度越大,流动性越差,使发动机曲轴的旋转阻力增加,降低了启动转速。在极低温度(-20~-40℃)下,润滑油呈现出极为复杂的流变特性,这种特性是非牛顿的,且在油箱中呈现出一种准凝胶的固态形式。

在冷启动过程中,发动机故障的危险性随着润滑油到达泵的时间(泵启动时间)的增加而增加。因此,准确评估进油时间就尤为重要。

本案例呈现的技术方法能够模拟滑油的输运行为并监测未预热发动机中的滑油流动,可以准确计算发动机启动过程中滑油从滑油箱到油泵所耗时间。

技术难点

在极低温度-40℃下,润滑油表现出极强的非牛顿流体特征,因此CFD仿真冷启动过程的精确性主要取决于以下几个技术难点的处理方法:

1、在极低温度下,滑油呈现出一种准凝胶的固态形式,此时的流体不满足牛顿黏性实验定律,即其剪应力与剪切应变率之间不是线性关系,需要对滑油的物性进行准确描述。

2、油泵在吸油过程中,存在多相流动,需要采用基于VOF的气液两相分析。

3、容积式泵需要用到结构网格和动网格,难度较大。

润滑油流变特性处理

一般而言,预测工程流体流变特性的方法有数学模型预测方法和试验方法两种。

数学模型预测方法最常用的是Herschel-Bulkley模型,即H-B模型,如下图所示。H-B模型描述了一种介质具有两个不同的不连续的流体行为区域,而实际上屈服点的确定是比较困难的。一般来说,采用流变测量仪进行屈服点的测定方式更为精确。

图1 H-B流体模型

采用试验方法预测屈服点常用方法有两种:(a)振荡剪切速率振幅扫描、(b)线性剪切应力测试两类。两种测试方法得到的屈服点数据如下:

图2 两种试验方法测得的屈服点数据

由上表数据可知,两种试验方法的结果具有一定差异,由于油泵冷启动过程中,滑油的特性呈现一种连续的渐变特性,因此采用第二种方法确定的屈服点更合适。

由图3可以看出H-B曲线与试验数据吻合良好,尤其是在屈服点附近。因此,对于大部分的非牛流体,采用H-B模型模拟非牛顿流体的流变特性是合适的。但是对于某些非牛流体,在屈服点之前,用H-B模型计算的粘性与实际值仍有偏差。

如本案例中,在小于屈服点的区域,H-B模型的粘度为常数,而试验值则要小得多。为考虑CFD结果精度,本案例研究模型最终采用试验数据进行计算。

PumpLinx数值分析及结果

本案例采用CFD软件Pumplinx进行数值模拟。值得一提的是, PumpLinx内置的非牛顿流体的分析模型,既有Bingham和H-B模型,同时也支持用户自定义流体属性。本案例即采用自定义方式,滑油的流变特性采用试验测试数据,指定剪切应力为剪切速率的函数编程写入PumpLinx软件中。

剪切应力与剪切速率存在如下关系:

图4 剪切应力与剪切速率关系公式

本案例试验装置如图5所示,对应的CFD分析模型将油泵吸油通道简化为一段方形截面(边长21mm)的吸管,吸管一端连接油箱,一段连接到真空泵。方形管(由聚碳酸酯构成)位于距油箱底部25mm处,初始滑油高度距底部50mm。实验装置至于恒温室中,控制温度为-40℃,滑油泵提供的吸压均为60kPa。

图5 试验装置示意图

CFD计算域采用100万六面体单元进行离散,针对不同的网格密度和时间步长分别进行了测试,以在合理的计算成本下达到更好的精度。边界条件如图6所示。

对于油泵区域的结构网格生成和动网格设置,可采用PumpLinx内置的机油泵模板功能自动完成,可在几秒钟之内完成转子的结构网格建立,并自动设置动网格,无需任何的二次开发工作。转子网格如下所示。

为验证CFD分析的精度,将实验结果和仿真结果进行对比,如图8所示,两者得到的吸管内油/气界面运动结果呈现出良好的吻合,可以确认实验及仿真结果是可靠的。

图8

采用PumpLinx对自吸液面进行捕捉,如图9所示,PumpLinx可以很好地捕捉油/气的交界面。

图9

总结

本案例提出了一种预估冷却滑油流入发动机为发动机关键部件提供润滑所需时间的一种CFD模拟方法。低温下滑油的流变学特性(例如-40℃)在根本上跟常温的不同,且与滑油的种类相关。通过流变测量仪进行测量可以得到精确的低温滑油特性。

本案例所提出的方法使用可求解非线性流体以及具备高精度多相流模型的CFD软件PumpLinx计算进油时间。通过和试验结果对比,数值计算结果与实验数据吻合较好,验证了该方法的准确性,这说明在实际的发动机中,可以通过PumpLinx仿真计算油泵冷启动的吸油时间。

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