搜索福特汽車(chē)如何開(kāi)展冷卻系統(tǒng)的三維CFD分析？
2017-10-09 by:CAE仿真在線 來(lái)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(dòng)機(jī)工作時(shí),氣缸內(nèi)的氣體溫度可高達(dá)1927-2527℃,若不及時(shí)冷卻,將造成發(fā)動(dòng)機(jī)零部件溫度過(guò)高,尤其是直接與高溫氣體接觸的零件,會(huì)因受熱膨脹影響正常的配合間隙,導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)受阻甚至卡死。目前對(duì)于發(fā)動(dòng)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(guò)程中可配合使用。
1D仿真的特點(diǎn)有:
-
多用于初期設(shè)計(jì)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;
-
需要專(zhuān)業(yè)的元件參數(shù)支撐;
-
求解速度快;
-
可獲得系統(tǒng)的宏觀特性結(jié)果;
-
無(wú)法得到系統(tǒng)關(guān)鍵部件內(nèi)部的顯著流動(dòng)狀況。
3D仿真的特點(diǎn)有:
-
多用于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,根據(jù)實(shí)物模型結(jié)構(gòu)尺寸搭建;
-
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(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。
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計(jì)算結(jié)果更詳細(xì)、準(zhǔn)確
-
計(jì)算速度比1D慢。
由于一維流體系統(tǒng)模擬的快速性和簡(jiǎn)便性,以及3D仿真的難度和計(jì)算周期使得用戶(hù)大多數(shù)采用1D仿真的手段進(jìn)行系統(tǒng)的性能預(yù)測(cè)。而隨著設(shè)計(jì)要求的提高和對(duì)于詳細(xì)設(shè)計(jì)的優(yōu)化改進(jìn)要求,1D仿真的手段已不能滿足設(shè)計(jì)人員的需求,越來(lái)越多的研究人員開(kāi)始嘗試用三維CFD模擬的手段來(lái)進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的模擬分析。
2、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)CFD模擬的技術(shù)難點(diǎn)
對(duì)于包含多個(gè)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(jì)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;
-
系統(tǒng)內(nèi)包含多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件,相互之間存在協(xié)同運(yùn)動(dòng);
-
部分區(qū)域存在小間隙流動(dòng)。
2.物理現(xiàn)象的復(fù)雜性:
-
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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間或運(yùn)行條件變化;
-
節(jié)溫器內(nèi)石蠟會(huì)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(duì)于石蠟溫度的影響。
3.數(shù)值計(jì)算的復(fù)雜性:
-
部分運(yùn)動(dòng)機(jī)械需要應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),且需要考慮流固耦合運(yùn)動(dòng)(例如節(jié)溫器閥門(mén));
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石蠟融化引起閥門(mén)開(kāi)度變化存在滯后效應(yīng),需要對(duì)該過(guò)程進(jìn)行模擬;
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系統(tǒng)內(nèi)可能發(fā)生空化,對(duì)于兩相流模擬的收斂穩(wěn)定有較高要求;
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對(duì)于系統(tǒng)級(jí)的CFD模擬,需要有合理的計(jì)算時(shí)間和可接受的工程精度,方可對(duì)流體系統(tǒng)進(jìn)行有效分析并指導(dǎo)設(shè)計(jì)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(shì)和求解的快速穩(wěn)定性使得對(duì)于此類(lèi)系統(tǒng)的仿真變得相對(duì)容易。
3、PumpLinx冷卻系統(tǒng)案例介紹
3.1 模型概述
圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)示意圖
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部件構(gòu)成:發(fā)動(dòng)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(duì)于部分重要零部件模型的幾點(diǎn)說(shuō)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(gè)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)則是由流體力和彈簧力共同作用,通過(guò)構(gòu)建閥門(mén)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)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(gè)過(guò)流部件,為降低網(wǎng)格數(shù)量并保證計(jì)算結(jié)果的精度,對(duì)于部分過(guò)流部件采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行計(jì)算。本系統(tǒng)中散熱器,暖風(fēng)器以及發(fā)動(dòng)機(jī)均采用多孔介質(zhì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算。
3.2 網(wǎng)格劃分
PumpLinx能夠通過(guò)二元細(xì)化和自適應(yīng)技術(shù)來(lái)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(dòng)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(shù)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格總數(shù)約270萬(wàn)。
圖3 各過(guò)流部件網(wǎng)格結(jié)果
對(duì)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(dòng)生成運(yùn)動(dòng)區(qū)域的高質(zhì)量網(wǎng)格,并能根據(jù)計(jì)算獲得的閥門(mén)位移結(jié)果,自適應(yīng)調(diào)整網(wǎng)格變化,無(wú)需其他的開(kāi)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(jì)算,其中速度項(xiàng)采用二階計(jì)算;
-
調(diào)用離心泵模板,應(yīng)用MRF技術(shù)設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格;
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調(diào)用閥門(mén)模板,自動(dòng)構(gòu)建閥門(mén)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程,并自動(dòng)設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng);
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調(diào)用傳熱模型,計(jì)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(duì)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(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm) |
冷卻泵轉(zhuǎn)速(rpm) |
時(shí)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(mén)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(guò)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(dòng)是由作用在閥體上的流體力和彈簧力共同決定的,通過(guò)求解動(dòng)力學(xué)方程控制閥體的運(yùn)動(dòng),PumpLinx中只需蛇者彈簧剛度,預(yù)緊力以及閥門(mén)質(zhì)量等參數(shù)即可自動(dòng)構(gòu)建閥門(mén)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程:
具體參數(shù)如下表所示:
閥門(mén)運(yùn)動(dòng)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(duì)于Case A,發(fā)動(dòng)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(duì)于Case B,發(fā)動(dòng)機(jī)水套,散熱器以及暖風(fēng)器在仿真過(guò)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(dòng)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(jì)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(yàn)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(kāi)啟過(guò)程:冷卻系統(tǒng)的起始溫度為60℃,發(fā)動(dòng)機(jī)不斷產(chǎn)生熱量,當(dāng)溫度達(dá)到石蠟融點(diǎn)時(shí),閥門(mén)開(kāi)啟,節(jié)溫器打開(kāi)。500s時(shí),閥門(mén)全部開(kāi)啟。
圖10-1 50s時(shí)刻溫度分布及閥門(mén)位置
圖10-2 100s時(shí)刻溫度分布及閥門(mén)位置
圖10-3 300s時(shí)刻溫度分布及閥門(mén)位置
圖10-4 400s時(shí)刻溫度分布及閥門(mén)位置
圖10-5 500s時(shí)刻溫度分布及閥門(mén)位置
-
提升閥位移變化
下圖為提升閥隨時(shí)間變化的位移曲線對(duì)比,其中藍(lán)色為試驗(yàn)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(yàn)-仿真結(jié)果對(duì)比
-
流量監(jiān)測(cè)
下圖分別是不同時(shí)刻系統(tǒng)中各過(guò)流部件的流量結(jié)果對(duì)比。其中藍(lán)色為試驗(yàn)結(jié)果,紅色為仿真結(jié)果,最大誤差不超過(guò)5%。
圖12 體積流量結(jié)果對(duì)比
3.5.2 Case B:高轉(zhuǎn)速(變轉(zhuǎn)速)
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提升閥位移
下圖為提升閥隨時(shí)間變化的位移曲線對(duì)比,從仿真結(jié)果來(lái)看,CFD模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高。
圖13 提升閥位移變化曲線
-
流量監(jiān)測(cè)
下圖分別是不同時(shí)刻系統(tǒng)中各過(guò)流部件的體積流量曲線圖。圖中,藍(lán)色為試驗(yàn)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(guò)流部件結(jié)果精度均較高,暖風(fēng)器雖然誤差相對(duì)于大一些,但是,試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的曲線走勢(shì)是一致的,導(dǎo)致誤差的原因有可能是流量計(jì)的阻抗或者是壓力傳感器的原因。
圖14 發(fā)動(dòng)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
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溫度
下圖為冷卻系統(tǒng)各過(guò)流部件溫度分布曲線,結(jié)果精度同樣很高。
圖18 溫度-時(shí)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(mén)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(mén)處于關(guān)閉狀態(tài),當(dāng)溫度高于石蠟融點(diǎn)時(shí),石蠟開(kāi)始融化,閥門(mén)開(kāi)始移動(dòng),溫度最高時(shí),閥門(mén)全部打開(kāi),當(dāng)溫度逐漸降低至石蠟?zāi)厅c(diǎn)之前,閥門(mén)保持全開(kāi)狀態(tài),當(dāng)溫度低于石蠟?zāi)厅c(diǎn)之后,閥門(mén)開(kāi)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(gè)能夠全面描述汽車(chē)發(fā)動(dòng)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(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的CFD模擬而言,是一個(gè)不錯(cuò)的開(kāi)端。本文所應(yīng)用的一些主要技術(shù)點(diǎn)如下:
-
可同時(shí)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;
-
對(duì)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(jì)算獲得的系統(tǒng)瞬態(tài)流量分布結(jié)果精度較高;
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對(duì)于石蠟相變所采用的簡(jiǎn)化方法,可以獲得合理的計(jì)算結(jié)果,可以較好地評(píng)估滯后效應(yīng)的影響;
-
對(duì)于由于石蠟相變引起的閥門(mén)運(yùn)動(dòng)可以較好地處理;
-
對(duì)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(shí)考慮冷卻液和固體結(jié)構(gòu)熱傳遞對(duì)于提升閥內(nèi)石蠟的影響;
-
仿真對(duì)于各零部件的參數(shù)要求較低,通過(guò)應(yīng)用一些簡(jiǎn)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(shí)間和求解時(shí)間相對(duì)較短;
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算例采用的CFD算法對(duì)其他類(lèi)型系統(tǒng)同樣適用。
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