1 發(fā)動(dòng)機(jī)仿真需求背景

    發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣流通特性、燃油噴霧特性以及空氣和燃油的混合過程等直接相關(guān)，在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)必須考慮這些流體的流動(dòng)特性和燃燒特性。發(fā)動(dòng)機(jī)的性能分析是一個(gè)典型的流體力學(xué)問題，可以從理論分析、試驗(yàn)和模擬計(jì)算三方面進(jìn)行研究，分別對應(yīng)于理論流體力學(xué)、實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)和CFD。

    圖1 流體力學(xué)問題的求解途徑

    CFD給出的是流體運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)的離散解非解析解, 從一次數(shù)值解中無法看出來流動(dòng)參數(shù)變化引起的變化趨勢，這是與理論分析的一個(gè)重要區(qū)別。如果數(shù)值模擬方法的數(shù)學(xué)提法是正確的，則可以在較廣泛的流動(dòng)參數(shù)范圍內(nèi)較快地給出流場的定量結(jié)果，而不受實(shí)驗(yàn)條件的限制，這是與實(shí)驗(yàn)研究的一個(gè)重要區(qū)別。

    圖2 CFD求解過程

    圖2是CFD的求解過程。它由建模、生成網(wǎng)格、計(jì)算求解和后處理等部分組成。其中建模就是根據(jù)所研究的流動(dòng)問題是瞬態(tài)還是穩(wěn)態(tài)、有粘還是無粘、可壓還是不可壓、層流還是湍流等確定流動(dòng)控制方程，并給出流體的物性參數(shù)、初始條件和邊界條件。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)同步CFD解決方案

    眾所周知，CFD形式的計(jì)算機(jī)模擬/虛擬模型技術(shù)，極大地降低了產(chǎn)品成本，加快了產(chǎn)品上市時(shí)間。然而，傳統(tǒng)CFD方法在使用上復(fù)雜、操作不靈活、或操作耗時(shí)，然而使用同步 CFD技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以加快設(shè)計(jì)流程，提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)返工，以此提高利潤。與此同時(shí)，許多經(jīng)營者尚未意識到軟件的進(jìn)步正使得小型和中型企業(yè)更易獲取利潤。FloEFD這一同步CFD工具幫助我們無需再雇用或培訓(xùn)CFD專家，外包分析給咨詢公司，或?qū)Χ鄠�(gè)物理原型進(jìn)行測試。如今在任何規(guī)模的公司，接受過一般培訓(xùn)的設(shè)計(jì)工程師都能夠運(yùn)用其現(xiàn)有的知識成功地進(jìn)行流體流動(dòng)和熱分析，從而極大減少了所需原型的數(shù)量。

3 同步CFD工具——FloEFD

    3.1 簡介

    CFD分析軟件的一個(gè)新種類“同步CFD”被證明在分析熱、流體和氣體流動(dòng)狀況方面效率非常高，幫助工程師在沒有CFD專家的情況，在他們的工作臺(tái)上就能作出關(guān)鍵的設(shè)計(jì)決定。這種非常直觀的集成在MCAD環(huán)境中的流程，幫助設(shè)計(jì)工程師在多種汽車部件和系統(tǒng)如加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、車身板件等等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)早期優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低制造成本。

    圖3 排氣歧管同步CFD分析

    3.2 技術(shù)特點(diǎn)

    1.完全嵌入CAD環(huán)境

    傳統(tǒng)CFD軟件的前處理過程，首先是將結(jié)構(gòu)CAD模型導(dǎo)入CFD軟件的前處理系統(tǒng)，然后人為的判斷哪些是流體區(qū)域，哪些是實(shí)體區(qū)域。之后再進(jìn)行輔助幾何造型，通過布爾操作完成對實(shí)體區(qū)域的切割、刪除等工作，稍微規(guī)模大一點(diǎn)的模型準(zhǔn)備工作就將耗去很長的時(shí)間。由于CAD結(jié)構(gòu)工程師與CFD分析工程師關(guān)注點(diǎn)不同，因此這類布爾操作等幾何造型工作經(jīng)常失敗，在此情況下，CFD仿真工程師將不得不對模型中大量部分進(jìn)行重新造型。FloEFD軟件的出現(xiàn)，為CFD分析工程師帶來了巨大的方便，這得益于FloEFD與主流CAD軟件的完全無縫集成，使得FloEFD能夠完全嵌入CAD界面，直接應(yīng)用CAD模型，自動(dòng)區(qū)分固體區(qū)域以及流體區(qū)域，自動(dòng)判定內(nèi)部流動(dòng)和外部流動(dòng)區(qū)域。

    2.自動(dòng)化網(wǎng)格生成

    網(wǎng)格劃分是傳統(tǒng)CFD軟件分析中人工耗時(shí)最多的一個(gè)關(guān)鍵工作，也是對分析人員專業(yè)背景要求很高的工作，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量與分析結(jié)果的準(zhǔn)確性具有直接的關(guān)系，傳統(tǒng)CFD軟件的工程師都需要花費(fèi)大量的時(shí)間去劃分高質(zhì)量的網(wǎng)格。而這一現(xiàn)狀在FloEFD軟件中將徹底改觀，F(xiàn)loEFD強(qiáng)大的網(wǎng)格自動(dòng)生成能力將工程師從繁重的網(wǎng)格劃分工作中解放出來，因?yàn)镕loEFD能夠自動(dòng)進(jìn)行固體和流體區(qū)域的網(wǎng)格劃分，并且根據(jù)幾何模型和求解自適應(yīng)要求自動(dòng)細(xì)化和粗化網(wǎng)格；同時(shí)，F(xiàn)loEFD也完全支持人工網(wǎng)格控制和局部加密。

    圖4 完全嵌入CAD環(huán)境

    圖5 自動(dòng)化生成網(wǎng)格

    3.強(qiáng)大的層流-過渡-湍流模擬能力

    FloEFD自動(dòng)應(yīng)用于網(wǎng)格無關(guān)的修正壁面函數(shù)進(jìn)行層流與湍流的模擬，自動(dòng)判定層流區(qū)、過渡區(qū)和湍流區(qū)，無需指定流動(dòng)特征。FloEFD是一款具有10多年歷史的成熟的商業(yè)化軟件，并且它具有超過一千個(gè)工作年的研發(fā)量。它使用了修正的k-ε兩方程湍流模型，這個(gè)技術(shù)主要是結(jié)合先進(jìn)的浸沒邊界網(wǎng)格精確地仿真大量湍流案例，其中浸沒邊界網(wǎng)格可以采用稀疏網(wǎng)格來精確求解流體流場。

    圖6 采用FloEFD基于不同網(wǎng)格預(yù)測的圓柱繞流場

    a)20個(gè)網(wǎng)格 b)40個(gè)網(wǎng)格 c)80個(gè)網(wǎng)格 d)Driver和Seegmiller（1985）真實(shí)的流動(dòng)形式

    4.統(tǒng)一的壁面修正函數(shù)

    近壁面邊界層的網(wǎng)格劃分一直是傳統(tǒng)CFD軟件中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。FloEFD軟件對壁面的處理有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。首先，F(xiàn)loEFD應(yīng)用部分單元（Partial Cell）技術(shù)，壁面的處理與網(wǎng)格無關(guān)；其次，F(xiàn)loEFD采用了物理上修正的流動(dòng)與換熱邊界層模擬。

    5.自動(dòng)收斂控制

    FloEFD采用Cutting-edge數(shù)值方法和多重網(wǎng)格技術(shù)。具有穩(wěn)定的收斂性，求解可靠，并可以做到一次求解成功。

    6.多變量設(shè)計(jì)分析

    支持“What-If”分析的項(xiàng)目克隆技術(shù)，無需對模型進(jìn)行任何進(jìn)一步定義。允許對產(chǎn)品進(jìn)行變量模擬，可用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最優(yōu)變量的確定。完全支持產(chǎn)品配置（Product Configuration）概念的方案對比優(yōu)化。整個(gè)過程十分方便，創(chuàng)建基礎(chǔ)模型并且進(jìn)行分析，無需重復(fù)應(yīng)用邊界條件和材料等，只需修改固體模型就可以創(chuàng)建多個(gè)設(shè)計(jì)變量。當(dāng)分析完成之后，F(xiàn)loEFD會(huì)比較不同選擇方案之間的結(jié)果，從而選擇出最佳的方案。同時(shí)，F(xiàn)loEFD也支持批處理求解。在FloEFD 12中，增加了結(jié)果比較工具，可以得到活動(dòng)視圖定義并且應(yīng)用到所選擇的仿真項(xiàng)目中。

    圖7 FloEFD結(jié)果比較工具

    7.簡單易用的工程化用戶界面

    FloEFD具有易于使用的用戶界面，使用工程化的參數(shù)定義語言�？梢赃M(jìn)行基于特征的建模，并具有動(dòng)態(tài)可視化的后處理功能。軟件自身帶有工程數(shù)據(jù)庫，可直接調(diào)用大量工程材料和模型等數(shù)據(jù)，包括風(fēng)扇性能曲線等。FloEFD的使用風(fēng)格等同于主流CAD軟件，易于學(xué)習(xí)。

    3.3 主要接口

    1.Pro/ENGINEER Mechanica和Creo Simulate接口

    FloEFD的計(jì)算結(jié)果可導(dǎo)入到Pro/ENGINEER Mechanica和Creo Simulate中，作為結(jié)構(gòu)分析的加載項(xiàng)。自動(dòng)接口極大地節(jié)省了準(zhǔn)備分析模型的時(shí)間，并允許用戶計(jì)算熱負(fù)荷所引起的結(jié)構(gòu)損壞。

    圖8 FloEFD的Pro/ENGINEER Mechanica和Creo Simulation接口

    2.NASTRAN 接口

    -以NASTRAN格式輸出結(jié)果（溫度、壓力）

    -支持基于任意FEA工具的NASTRAN，從而將流體流動(dòng)和熱交換包含到結(jié)構(gòu)和熱分析中

    圖9 FloEFD的NASTRAN接口

    3.CEI EnSight接口

    FloEFD可以講結(jié)果輸出為Ensight的格式，Ensight用戶無需安裝FloEFD就可以查看FloEFD的計(jì)算結(jié)果。

    圖10 FloEFD的EnSight接口

4 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管CFD分析案例

    問題描述

    發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的氣體流動(dòng)特性復(fù)雜多變，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，對發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性有著重要的影響。進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件，應(yīng)為發(fā)動(dòng)機(jī)各缸提供均勻的新鮮進(jìn)氣，是影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的關(guān)鍵因素。本案例的目的是：預(yù)測進(jìn)氣歧管內(nèi)的流動(dòng)分布和流體通過特定開度閥門的壓力損失，在熟悉的CAD界面內(nèi)完成方案分析，幫助工程師可更快的進(jìn)行方案評估。

    解決方案

    首先了解模型的結(jié)構(gòu)。模型中的重要元件為：上部入口歧管、下部入口歧管以及閥體部分。當(dāng)前分析的閥門開度為120度，但在后面的多參數(shù)優(yōu)化中可以對其進(jìn)行修改和多值的定義。

    圖11 進(jìn)氣歧管Pro/Engineer模型

    圖12 閥門結(jié)構(gòu)

    集成在Pro/Engineer中的FloEFD版本可以在Flow Analysis中完成計(jì)算流體力學(xué)部分的分析。在這一部分將對模型和求解進(jìn)行設(shè)置，包括：單位系統(tǒng)、分析類型、默認(rèn)流體和固體、網(wǎng)格設(shè)置、初始條件、入口邊界條件、出口邊界條件、目標(biāo)參數(shù)等。所有的設(shè)置完成后可以開始計(jì)算，在計(jì)算過程中FloEFD支持實(shí)時(shí)觀測計(jì)算結(jié)果，如13圖所示。

    圖13 求解過程中對歧管內(nèi)部速度的監(jiān)控

    CFD仿真結(jié)果

    計(jì)算結(jié)束后，結(jié)果自動(dòng)加載到FloEFD中。首先創(chuàng)建閥門中心線上的速度和壓力云圖結(jié)果，如圖14、15所示。同樣也可以轉(zhuǎn)換視角觀察切面云圖，或顯示流動(dòng)跡線圖，以三維形式觀察流體流過歧管的路徑并保存動(dòng)畫，以及顯示模型表面云圖。

    圖14 閥門周圍速度云圖分布

    圖15 閥門周圍壓力云圖分布

    圖16 轉(zhuǎn)換視角后的速度云圖分布

    圖17 流動(dòng)跡線圖

    圖18 近壁面的速度云圖分布

5 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套CFD分析案例

    問題描述

    水套是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，它直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和壽命。然而發(fā)動(dòng)機(jī)水套結(jié)構(gòu)復(fù)雜，想要通過直接測量的方法得到水套內(nèi)的流場幾乎是不可能的，CFD方法能夠模擬冷卻液在水套內(nèi)的流動(dòng)，從而得到水套內(nèi)完整的流場數(shù)據(jù)。模擬發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻套管和缸頭內(nèi)和周圍的熱行為是耦合流體流動(dòng)和傳熱分析的經(jīng)典應(yīng)用之一。本案例使用FloEFD的Soliworks版本完成了水套的CFD分析。

    圖19 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套Solidworks模型CFD仿真結(jié)果

    圖20 水套表面壓力云圖分布

    圖21 水套內(nèi)溫度分布及流動(dòng)跡線分布

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：基于FloEFD的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)同步CFD解決方案

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