搜索福特汽車如何開展冷卻系統(tǒng)的三維CFD分析？
2017-10-09 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
1、冷卻系統(tǒng)流體力學分析的常用方法概述
發(fā)動機工作時,氣缸內(nèi)的氣體溫度可高達1927-2527℃,若不及時冷卻,將造成發(fā)動機零部件溫度過高,尤其是直接與高溫氣體接觸的零件,會因受熱膨脹影響正常的配合間隙,導致運動件運動受阻甚至卡死。目前對于發(fā)動機冷卻系統(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)缺點及適應性,在研發(fā)過程中可配合使用。
1D仿真的特點有:
-
多用于初期設計階段,研究元件在系統(tǒng)當中的匹配特性以及系統(tǒng)的宏觀特性;
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需要標定的特性參數(shù)較多;
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需要專業(yè)的元件參數(shù)支撐;
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求解速度快;
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可獲得系統(tǒng)的宏觀特性結(jié)果;
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無法得到系統(tǒng)關(guān)鍵部件內(nèi)部的顯著流動狀況。
3D仿真的特點有:
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多用于詳細設計階段,根據(jù)實物模型結(jié)構(gòu)尺寸搭建;
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可精確分析關(guān)鍵設備(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在三維模型當中,是實物模型的真實反應;
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可直接獲得三維效應對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。
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計算結(jié)果更詳細、準確
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計算速度比1D慢。
由于一維流體系統(tǒng)模擬的快速性和簡便性,以及3D仿真的難度和計算周期使得用戶大多數(shù)采用1D仿真的手段進行系統(tǒng)的性能預測。而隨著設計要求的提高和對于詳細設計的優(yōu)化改進要求,1D仿真的手段已不能滿足設計人員的需求,越來越多的研究人員開始嘗試用三維CFD模擬的手段來進行冷卻系統(tǒng)的模擬分析。
2、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)CFD模擬的技術(shù)難點
對于包含多個零部件的冷卻系統(tǒng)CFD分析而言,從幾何模型、物理模型和數(shù)值計算分析各方面而言,均十分具有挑戰(zhàn)性:
1.幾何模型的復雜性:
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組成零部件數(shù)量較多,部分零部件結(jié)構(gòu)十分復雜;
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系統(tǒng)內(nèi)包含多個運動部件,相互之間存在協(xié)同運動;
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部分區(qū)域存在小間隙流動。
2.物理現(xiàn)象的復雜性:
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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)動機轉(zhuǎn)速隨時間或運行條件變化;
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節(jié)溫器內(nèi)石蠟會隨溫度變化而發(fā)生相變,且需要考慮固體分布的導熱對于石蠟溫度的影響。
3.數(shù)值計算的復雜性:
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部分運動機械需要應用動網(wǎng)格技術(shù),且需要考慮流固耦合運動(例如節(jié)溫器閥門);
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石蠟融化引起閥門開度變化存在滯后效應,需要對該過程進行模擬;
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系統(tǒng)內(nèi)可能發(fā)生空化,對于兩相流模擬的收斂穩(wěn)定有較高要求;
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對于系統(tǒng)級的CFD模擬,需要有合理的計算時間和可接受的工程精度,方可對流體系統(tǒng)進行有效分析并指導設計改進。
鑒于上述技術(shù)難點,極少有CFD分析工具可以較好地進行冷卻系統(tǒng)的CFD模擬。而PumpLinx前處理功能的先進性、模板優(yōu)勢和求解的快速穩(wěn)定性使得對于此類系統(tǒng)的仿真變得相對容易。
3、PumpLinx冷卻系統(tǒng)案例介紹
3.1 模型概述
圖1 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)示意圖
汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)主要由以下幾個部件構(gòu)成:發(fā)動機冷卻水套,冷卻泵,節(jié)溫器,散熱器、暖風器以及連接管路等組成。
對于部分重要零部件模型的幾點說明:
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)部包含兩個運動機構(gòu),即提升閥和旁通閥。提升閥(淺藍色和深藍色)的運動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,使得運動機構(gòu)的位置發(fā)生變化,從而控制流量分配;旁通閥(褐色)運動則是由流體力和彈簧力共同作用,通過構(gòu)建閥門運動的動力學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)模型應用
冷卻系統(tǒng)包含多個過流部件,為降低網(wǎng)格數(shù)量并保證計算結(jié)果的精度,對于部分過流部件采用多孔介質(zhì)模型進行計算。本系統(tǒng)中散熱器,暖風器以及發(fā)動機均采用多孔介質(zhì)模型進行仿真計算。
3.2 網(wǎng)格劃分
PumpLinx能夠通過二元細化和自適應技術(shù)來建立高效、高分辨率的網(wǎng)格,即使尺度差異懸殊的復雜幾何也是如此。本系統(tǒng)中發(fā)動機水套、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網(wǎng)格技術(shù)進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格總數(shù)約270萬。
圖3 各過流部件網(wǎng)格結(jié)果
對于構(gòu)成節(jié)溫器部件的提升閥和旁通閥部分,則應用PumpLinx的閥模塊技術(shù),自動生成運動區(qū)域的高質(zhì)量網(wǎng)格,并能根據(jù)計算獲得的閥門位移結(jié)果,自適應調(diào)整網(wǎng)格變化,無需其他的開發(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 模型設置
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采用非定常計算,其中速度項采用二階計算;
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調(diào)用離心泵模板,應用MRF技術(shù)設置動網(wǎng)格;
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調(diào)用閥門模板,自動構(gòu)建閥門運動的動力學方程,并自動設置動網(wǎng)格運動;
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調(diào)用傳熱模型,計算流體部分的傳熱以及節(jié)溫器固體部分的導熱;
-
湍流模型采用標準k-e模型。
3.4邊界條件設置
3.4.1 轉(zhuǎn)速
對兩種轉(zhuǎn)速工況進行了模擬分析:低轉(zhuǎn)速(Case A)和變轉(zhuǎn)速(Case B)。發(fā)動機轉(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)動機轉(zhuǎn)速(rpm) |
冷卻泵轉(zhuǎn)速(rpm) |
時間(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致體積變化從而控制閥門運動的,因此需要考慮石蠟以及與石蠟接觸的固體部件的導熱影響,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) |
熱導率(W/m.K) |
|
冷卻液 |
1030 |
0.00064 |
3684 |
0.4 |
|
固體針 |
7600 |
|
490 |
30 |
|
運動閥芯 |
8900 |
|
386 |
385 |
|
石蠟 |
密度隨溫度變化 |
|
比熱隨溫度變化 |
0.25 |
石蠟的滯后效應模擬應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程,定義不同的熱焓特性曲線,應用該方法可以較好地模擬石蠟的滯后效應。
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
旁通閥的運動是由作用在閥體上的流體力和彈簧力共同決定的,通過求解動力學方程控制閥體的運動,PumpLinx中只需蛇者彈簧剛度,預緊力以及閥門質(zhì)量等參數(shù)即可自動構(gòu)建閥門運動的動力學方程:
具體參數(shù)如下表所示:
閥門運動模擬參數(shù)設置
|
閥芯質(zhì)量 |
20.14g |
|
彈簧剛度 |
850.63N/m |
|
彈簧預緊力 |
3.742N |
3.4.4 多孔介質(zhì)模型
對于Case A,發(fā)動機水套采用真實模型,散熱器以及暖風器采用多孔介質(zhì)模型;對于Case B,發(fā)動機水套,散熱器以及暖風器在仿真過程中采用多孔介質(zhì)模型,具體設置參數(shù)如下圖所示。
圖7 多孔介質(zhì)模型設置
3.4.5 熱源
本文在發(fā)動機水套(上下兩部分),散熱器和暖風器位置設置熱源,熱源大小與各部件冷卻液的流量相關(guān),其計算公式為:
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,為各部件進出口溫度差(由試驗獲得)。
熱源設置代碼如下所示。
圖8 PumpLinx各部件熱源設置
圖9 部分設置代碼
3.5 結(jié)果展示
3.5.1 Case A:低轉(zhuǎn)速(固定轉(zhuǎn)速)
提升閥開啟過程:冷卻系統(tǒng)的起始溫度為60℃,發(fā)動機不斷產(chǎn)生熱量,當溫度達到石蠟融點時,閥門開啟,節(jié)溫器打開。500s時,閥門全部開啟。
圖10-1 50s時刻溫度分布及閥門位置
圖10-2 100s時刻溫度分布及閥門位置
圖10-3 300s時刻溫度分布及閥門位置
圖10-4 400s時刻溫度分布及閥門位置
圖10-5 500s時刻溫度分布及閥門位置
-
提升閥位移變化
下圖為提升閥隨時間變化的位移曲線對比,其中藍色為試驗曲線,紅色為CFD仿真曲線,兩者高度吻合。
圖11 提升閥位移試驗-仿真結(jié)果對比
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流量監(jiān)測
下圖分別是不同時刻系統(tǒng)中各過流部件的流量結(jié)果對比。其中藍色為試驗結(jié)果,紅色為仿真結(jié)果,最大誤差不超過5%。
圖12 體積流量結(jié)果對比
3.5.2 Case B:高轉(zhuǎn)速(變轉(zhuǎn)速)
-
提升閥位移
下圖為提升閥隨時間變化的位移曲線對比,從仿真結(jié)果來看,CFD模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高。
圖13 提升閥位移變化曲線
-
流量監(jiān)測
下圖分別是不同時刻系統(tǒng)中各過流部件的體積流量曲線圖。圖中,藍色為試驗結(jié)果,紅色為仿真結(jié)果,從圖中可以看出,除了暖風器以外,其余過流部件結(jié)果精度均較高,暖風器雖然誤差相對于大一些,但是,試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的曲線走勢是一致的,導致誤差的原因有可能是流量計的阻抗或者是壓力傳感器的原因。
圖14 發(fā)動機水套流量曲線
圖15 散熱器流量曲線
圖16 支路流量曲線
圖17暖風器流量曲線
-
溫度
下圖為冷卻系統(tǒng)各過流部件溫度分布曲線,結(jié)果精度同樣很高。
圖18 溫度-時間變化曲線
-
滯后效應
下圖為隨石蠟融化及凝固,提升閥門的位移變化,從圖中可以看到明顯的滯后效應。
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,當溫度在到達石蠟融點之前,閥門處于關(guān)閉狀態(tài),當溫度高于石蠟融點時,石蠟開始融化,閥門開始移動,溫度最高時,閥門全部打開,當溫度逐漸降低至石蠟凝固點之前,閥門保持全開狀態(tài),當溫度低于石蠟凝固點之后,閥門開始關(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軟件模擬了一個能夠全面描述汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的三維瞬態(tài)CFD模型,并取得了較好的結(jié)果,對于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的CFD模擬而言,是一個不錯的開端。本文所應用的一些主要技術(shù)點如下:
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可同時精確分析系統(tǒng)工作特性以及節(jié)溫器、冷卻水泵等關(guān)鍵設備的行為特征;
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對于冷卻水泵的定轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速均進行了模擬,不同工況計算獲得的系統(tǒng)瞬態(tài)流量分布結(jié)果精度較高;
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對于石蠟相變所采用的簡化方法,可以獲得合理的計算結(jié)果,可以較好地評估滯后效應的影響;
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對于由于石蠟相變引起的閥門運動可以較好地處理;
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對于節(jié)溫器進行了細致的分析,可以較好地分析提升閥和旁通閥之間的相互作用,并同時考慮冷卻液和固體結(jié)構(gòu)熱傳遞對于提升閥內(nèi)石蠟的影響;
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仿真對于各零部件的參數(shù)要求較低,通過應用一些簡化模型,可以有效控制系統(tǒng)的網(wǎng)格數(shù)量,系統(tǒng)建模時間和求解時間相對較短;
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算例采用的CFD算法對其他類型系統(tǒng)同樣適用。
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