福特汽车如何开展冷却系统的三维CFD分析？

2017-10-09  by:CAE仿真在线  来源:互联网

1、冷却系统流体力学分析的常用方法概述

发动机工作时,气缸内的气体温度可高达1927-2527℃,若不及时冷却,将造成发动机零部件温度过高,尤其是直接与高温气体接触的零件,会因受热膨胀影响正常的配合间隙,导致运动件运动受阻甚至卡死。目前对于发动机冷却系统的流体分析一般有一维和三维分析两种手段,二者各有优缺点及适应性,在研发过程中可配合使用。

1D仿真的特点有:

• 多用于初期设计阶段,研究元件在系统当中的匹配特性以及系统的宏观特性;

• 需要标定的特性参数较多;

• 需要专业的元件参数支撑;

• 求解速度快;

• 可获得系统的宏观特性结果;

• 无法得到系统关键部件内部的显著流动状况。

3D仿真的特点有:

• 多用于详细设计阶段,根据实物模型结构尺寸搭建;

• 可精确分析关键设备(如节温器、冷却水泵等)的行为特征及在系统中的工作匹配性;

• 模型尺寸变化可直接反应在三维模型当中,是实物模型的真实反应;

• 可直接获得三维效应对系统性能产生的影响。

• 计算结果更详细、准确

• 计算速度比1D慢。

由于一维流体系统模拟的快速性和简便性,以及3D仿真的难度和计算周期使得用户大多数采用1D仿真的手段进行系统的性能预测。而随着设计要求的提高和对于详细设计的优化改进要求,1D仿真的手段已不能满足设计人员的需求,越来越多的研究人员开始尝试用三维CFD模拟的手段来进行冷却系统的模拟分析。

2、发动机冷却系统CFD模拟的技术难点

对于包含多个零部件的冷却系统CFD分析而言,从几何模型、物理模型和数值计算分析各方面而言,均十分具有挑战性:

1.几何模型的复杂性:

• 组成零部件数量较多,部分零部件结构十分复杂;

• 系统内包含多个运动部件,相互之间存在协同运动;

• 部分区域存在小间隙流动。

2.物理现象的复杂性:

• 需要考虑系统内的紊流、空化和热传递现象;

• 发动机转速随时间或运行条件变化;

• 节温器内石蜡会随温度变化而发生相变,且需要考虑固体分布的导热对于石蜡温度的影响。

3.数值计算的复杂性:

• 部分运动机械需要应用动网格技术,且需要考虑流固耦合运动(例如节温器阀门);

• 石蜡融化引起阀门开度变化存在滞后效应,需要对该过程进行模拟;

• 系统内可能发生空化,对于两相流模拟的收敛稳定有较高要求;

• 对于系统级的CFD模拟,需要有合理的计算时间和可接受的工程精度,方可对流体系统进行有效分析并指导设计改进。

鉴于上述技术难点,极少有CFD分析工具可以较好地进行冷却系统的CFD模拟。而PumpLinx前处理功能的先进性、模板优势和求解的快速稳定性使得对于此类系统的仿真变得相对容易。

3、PumpLinx冷却系统案例介绍

3.1 模型概述

图1 发动机冷却系统示意图

汽车发动机冷却系统主要由以下几个部件构成:发动机冷却水套,冷却泵,节温器,散热器、暖风器以及连接管路等组成。

对于部分重要零部件模型的几点说明:

1)节温器

节温器主要起到控制冷却系统回路的作用。其内部包含两个运动机构,即提升阀和旁通阀。提升阀(浅蓝色和深蓝色)的运动由石蜡的融化和凝固控制,石蜡融化后由于密度和体积的变化,使得运动机构的位置发生变化,从而控制流量分配;旁通阀(褐色)运动则是由流体力和弹簧力共同作用,通过构建阀门运动的动力学常微分方程并求解得到。

图 2节温器剖面图

2)多孔介质模型应用

冷却系统包含多个过流部件,为降低网格数量并保证计算结果的精度,对于部分过流部件采用多孔介质模型进行计算。本系统中散热器,暖风器以及发动机均采用多孔介质模型进行仿真计算。

3.2 网格划分

PumpLinx能够通过二元细化和自适应技术来建立高效、高分辨率的网格,即使尺度差异悬殊的复杂几何也是如此。本系统中发动机水套、冷却水泵、节温器的定子区域和连接管路等均采用二叉树网格技术进行网格划分,网格总数约270万。

图3 各过流部件网格结果

对于构成节温器部件的提升阀和旁通阀部分,则应用PumpLinx的阀模块技术,自动生成运动区域的高质量网格,并能根据计算获得的阀门位移结果,自适应调整网格变化,无需其他的开发工作。

图4 不同位移提升阀和旁通阀的网格变化(10s)

图5 不同位移提升阀和旁通阀的网格变化(256s)

3.3 模型设置

• 采用非定常计算,其中速度项采用二阶计算;

• 调用离心泵模板,应用MRF技术设置动网格;

• 调用阀门模板,自动构建阀门运动的动力学方程,并自动设置动网格运动;

• 调用传热模型,计算流体部分的传热以及节温器固体部分的导热;

• 湍流模型采用标准k-e模型。

3.4边界条件设置

3.4.1 转速

对两种转速工况进行了模拟分析:低转速(Case A)和变转速(Case B)。发动机转速与冷却水泵采用固定转速比1.22,具体参数如下表所示。

转速工况参数

工况	发动机转速(rpm)	冷却泵转速(rpm)	时间(s)
Case A	770	940	定转速
Case B	3000	3669	0~360
	3300	4035.9	360~540
	3000	3669	>540

3.4.2提升阀

提升阀是由石蜡温度变化引起的融化与凝固导致体积变化从而控制阀门运动的,因此需要考虑石蜡以及与石蜡接触的固体部件的导热影响,各组成部分的热属性参数如下:

	密度(kg/m3)	粘度(Pa.s)	比热(J/kg.K)	热导率(W/m.K)
冷却液	1030	0.00064	3684	0.4
固体针	7600		490	30
运动阀芯	8900		386	385
石蜡	密度随温度变化		比热随温度变化	0.25

石蜡的滞后效应模拟应用了石蜡的热焓变化特性,如下图所示,根据石蜡的热流量方向,确定石蜡的融化或凝固过程,定义不同的热焓特性曲线,应用该方法可以较好地模拟石蜡的滞后效应。

图6 石蜡热焓随温度变化(融化或凝固曲线不完全重合)

3.4.3 旁通阀

旁通阀的运动是由作用在阀体上的流体力和弹簧力共同决定的,通过求解动力学方程控制阀体的运动,PumpLinx中只需蛇者弹簧刚度,预紧力以及阀门质量等参数即可自动构建阀门运动的动力学方程:

具体参数如下表所示:

阀门运动模拟参数设置

阀芯质量	20.14g
弹簧刚度	850.63N/m
弹簧预紧力	3.742N

3.4.4 多孔介质模型

对于Case A,发动机水套采用真实模型,散热器以及暖风器采用多孔介质模型;对于Case B,发动机水套,散热器以及暖风器在仿真过程中采用多孔介质模型,具体设置参数如下图所示。

图7 多孔介质模型设置

3.4.5 热源

本文在发动机水套(上下两部分),散热器和暖风器位置设置热源,热源大小与各部件冷却液的流量相关,其计算公式为:

其中,m为数值模拟获得的冷却液的流量,Cp为冷却液比热3684J/kg.K,为各部件进出口温度差(由试验获得)。

热源设置代码如下所示。

图8 PumpLinx各部件热源设置

图9 部分设置代码

3.5 结果展示

3.5.1 Case A:低转速(固定转速)

提升阀开启过程:冷却系统的起始温度为60℃,发动机不断产生热量,当温度达到石蜡融点时,阀门开启,节温器打开。500s时,阀门全部开启。

图10-1 50s时刻温度分布及阀门位置

图10-2 100s时刻温度分布及阀门位置

图10-3 300s时刻温度分布及阀门位置

图10-4 400s时刻温度分布及阀门位置

图10-5 500s时刻温度分布及阀门位置

• 提升阀位移变化

下图为提升阀随时间变化的位移曲线对比,其中蓝色为试验曲线,红色为CFD仿真曲线,两者高度吻合。

图11 提升阀位移试验-仿真结果对比

• 流量监测

下图分别是不同时刻系统中各过流部件的流量结果对比。其中蓝色为试验结果,红色为仿真结果,最大误差不超过5%。

图12 体积流量结果对比

3.5.2 Case B:高转速(变转速)

• 提升阀位移

下图为提升阀随时间变化的位移曲线对比,从仿真结果来看,CFD模拟结果与试验结果吻合度较高。

图13 提升阀位移变化曲线

• 流量监测

下图分别是不同时刻系统中各过流部件的体积流量曲线图。图中,蓝色为试验结果,红色为仿真结果,从图中可以看出,除了暖风器以外,其余过流部件结果精度均较高,暖风器虽然误差相对于大一些,但是,试验结果与仿真结果的曲线走势是一致的,导致误差的原因有可能是流量计的阻抗或者是压力传感器的原因。

图14 发动机水套流量曲线

图15 散热器流量曲线

图16 支路流量曲线

图17暖风器流量曲线

• 温度

下图为冷却系统各过流部件温度分布曲线,结果精度同样很高。

图18 温度-时间变化曲线

• 滞后效应

下图为随石蜡融化及凝固,提升阀门的位移变化,从图中可以看到明显的滞后效应。

图19 提升阀滞后曲线

下图为提升阀随着冷却剂温度变化的位移曲线。从图中可以看出,当温度在到达石蜡融点之前,阀门处于关闭状态,当温度高于石蜡融点时,石蜡开始融化,阀门开始移动,温度最高时,阀门全部打开,当温度逐渐降低至石蜡凝固点之前,阀门保持全开状态,当温度低于石蜡凝固点之后,阀门开始关闭,直至最后全部关闭。

图20 提升阀位移-冷却剂温度变化曲线

4、小结

本案例利用PumpLinx软件模拟了一个能够全面描述汽车发动机冷却系统的三维瞬态CFD模型,并取得了较好的结果,对于发动机冷却系统的CFD模拟而言,是一个不错的开端。本文所应用的一些主要技术点如下:

• 可同时精确分析系统工作特性以及节温器、冷却水泵等关键设备的行为特征;

• 对于冷却水泵的定转速和变转速均进行了模拟,不同工况计算获得的系统瞬态流量分布结果精度较高;

• 对于石蜡相变所采用的简化方法,可以获得合理的计算结果,可以较好地评估滞后效应的影响;

• 对于由于石蜡相变引起的阀门运动可以较好地处理;

• 对于节温器进行了细致的分析,可以较好地分析提升阀和旁通阀之间的相互作用,并同时考虑冷却液和固体结构热传递对于提升阀内石蜡的影响;

• 仿真对于各零部件的参数要求较低,通过应用一些简化模型,可以有效控制系统的网格数量,系统建模时间和求解时间相对较短;

• 算例采用的CFD算法对其他类型系统同样适用。

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