基于AVL-FIRE的CFD分析過程及案例操作

2021年09月01日基于AVL-FIRE的CFD分析過程及案例操作2理論根底流體力學(xué)理想流體與粘性流體粘性力——相鄰流體層之間的相對運動阻力理想流體使用的條件：流體粘性小〔如空氣和水〕；相對運動速度??；粘性力比照其他類型的力〔如慣性力〕可忽略不計牛頓流體與非牛頓流體牛頓內(nèi)摩擦定律動力粘度、運動粘度空氣、水/聚合物溶液，牛奶3理論根底流體熱傳導(dǎo)與擴(kuò)散熱傳導(dǎo)：溫度高低熱擴(kuò)散：濃度高低可壓流體與不可壓流體密度決定是否可壓空氣為可壓流體；水為不可壓流體某些特定條件下的可壓流體也可做不可壓處理4理論根底定常與非定常流動流體流動物理量〔P、T、V〕是否隨時間變化定常流動〔穩(wěn)態(tài)流動/恒定流動〕：常數(shù)邊界條件非定常流動〔瞬態(tài)流動〕：非常數(shù)邊界條件理論根底層流與湍流5層流湍流？？？？？？？？？？？？

層流：流體分層運動，在流動過程中沒有相互摻雜，只做相對滑動。湍流：流體流速過快時，流體向各個方向運動，各流層之間混雜，出現(xiàn)漩渦。理論根底流動狀態(tài)〔層流與湍流〕的判斷：圓管內(nèi)流動：Re<2300,那么為層流Re>8000~12000,那么為湍流2300<Re<8000,為過渡區(qū)〔按湍流計算〕非圓管流動：d為水力半徑，d=4A/X；A為流通截面積X為濕周：流通界面上液體與固體接觸長度6AVL-FIRE簡介7AVL-FIRE簡介8AVL-FIRE簡介9AVL-FIRE簡介軟件介紹：

AVL-FIRE是AVL公司自己開發(fā)并一直在應(yīng)用,不僅能求解通用流動問題,也能求解最復(fù)雜的內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流動和燃燒等現(xiàn)象的CFD軟件。它在求解瞬態(tài)復(fù)雜流動方面的優(yōu)勢使其在求解普通流動方面更是得心應(yīng)手。10AVL-FIRE簡介11AVL-FIRE簡介12AVL-FIRE簡介13AVL-FIRE簡介應(yīng)用實例：進(jìn)氣道冷卻水套缸內(nèi)燃燒進(jìn)排氣系統(tǒng)尾氣凈化裝置CFD/FEM耦合計算14AVL-FIRE應(yīng)用FIRE應(yīng)用一：進(jìn)氣道15AVL-FIRE應(yīng)用FIRE應(yīng)用一：進(jìn)氣道16AVL-FIRE應(yīng)用FIRE應(yīng)用一：進(jìn)氣道17AVL-FIRE應(yīng)用FIRE應(yīng)用二：冷卻水套18AVL-FIRE應(yīng)用FIRE應(yīng)用二：冷卻水套19AVL-FIRE應(yīng)用冷卻水套冷卻水套模擬計算也是發(fā)動機(jī)開發(fā)過程的常規(guī)計算。對水套的優(yōu)化分析包括：如何分區(qū)生成網(wǎng)格以便于調(diào)整氣缸墊孔徑大小，快速實現(xiàn)流量分布的優(yōu)化；近壁網(wǎng)格層數(shù)的選??；在準(zhǔn)確預(yù)測熱傳導(dǎo)方面，除有對流換熱模型，還考慮某些局部的沸騰換熱，同時與通用有限元軟件可直接耦合以計算出準(zhǔn)確的傳熱和溫度場；先進(jìn)的多相流模塊使準(zhǔn)確計算冷卻水灌注的瞬態(tài)過程成為可能，這類模擬分析有助于預(yù)測水套中殘存氣泡的部位，以修改結(jié)構(gòu)排除局部過熱的隱患。20AVL-FIRE應(yīng)用FIRE應(yīng)用三：缸內(nèi)燃燒噴霧21AVL-FIRE應(yīng)用FIRE應(yīng)用三：缸內(nèi)燃燒噴霧22AVL-FIRE應(yīng)用柴油機(jī)缸內(nèi)噴霧燃燒由于柴油機(jī)多采用螺旋式氣道，在能給出適當(dāng)?shù)某跏紲u流比，初始湍流條件的情況下對缸內(nèi)流動燃燒分析往往可從進(jìn)氣門關(guān)閉開始，這樣就可防止在計算模型中包含進(jìn)氣道及氣門運動，大大簡化計算模型并縮短計算時間。近兩年來新增的ESE-Diesel-參數(shù)化的燃燒室高壓循環(huán)分析優(yōu)化工具是一個具有獨立界面的集成的自動化分析模塊，帶有多個參數(shù)化的燃燒室結(jié)構(gòu)供用戶選擇,可自動進(jìn)行移動網(wǎng)格的生成、缸內(nèi)瞬態(tài)流動噴霧燃燒的計算并自動生成對結(jié)果的分析報告。一個分析流程之后用戶可直接在界面內(nèi)改變?nèi)紵医Y(jié)構(gòu)參數(shù)重新計算,以實現(xiàn)對燃燒室形狀的優(yōu)化。同時結(jié)合優(yōu)化軟件對噴射參數(shù)和燃燒參數(shù)都可進(jìn)行優(yōu)化23AVL-FIRE簡介24AVL-FIRE簡介FIRE應(yīng)用四：進(jìn)排氣系統(tǒng)

25AVL-FIRE簡介FIRE應(yīng)用四：進(jìn)排氣系統(tǒng)

26CFD求解過程實際問題

數(shù)學(xué)模型

數(shù)值求解

分析結(jié)果27建立控制方程確立初始條件及邊界條件劃分計算網(wǎng)格，生成節(jié)點建立離散方程離散初始條件和邊界條件給定求解控制參數(shù)求解離散方程輸出結(jié)果是否收斂是否分析流程28CAD模型準(zhǔn)備模型處理〔封閉流體區(qū)域〕定義selections創(chuàng)立特征線劃分網(wǎng)格邊界條件初始條件控制方程設(shè)置松弛因子設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置輸出結(jié)果設(shè)置結(jié)果處理2D結(jié)果Pro/EAVL-FIRE分析流程CAD模型準(zhǔn)備輸出的外表模型必須完整、連續(xù)29設(shè)定相鄰面片間的最大角度差值，小角度可以提高STL文件的精度CAD模型外表STL外表弦高越小，與實際模型越接近分析流程定義selections一個selection是一系列的網(wǎng)格單元，網(wǎng)格外表或點，通過它可以對局部區(qū)域進(jìn)行特殊定義和處理30分析流程線網(wǎng)格：外表網(wǎng)格的特征邊緣線31分析流程劃分面網(wǎng)格——體網(wǎng)格32設(shè)定整體網(wǎng)格最大最小尺寸對需要細(xì)化的selection單獨設(shè)定尺寸設(shè)定邊界層數(shù)其他網(wǎng)格處理生成體網(wǎng)格網(wǎng)格質(zhì)量檢查減小尺寸分析流程網(wǎng)格質(zhì)量33分析流程網(wǎng)格質(zhì)量34分析流程網(wǎng)格質(zhì)量35分析流程網(wǎng)格質(zhì)量36分析流程網(wǎng)格質(zhì)量37邊界條件邊界條件

所謂邊界條件，是指在求解域的邊界上所求解的變量或其一階導(dǎo)數(shù)隨地點及時間變化的規(guī)律，只有給定了合理的邊界條件，才能計算得出流場的解。FIRE中邊界條件分類38邊界條件進(jìn)/出口邊界對稱邊界壁面邊界邊界條件進(jìn)/出口邊界Staticpressure：靜壓Totalpressure：總壓Stagnationpressure：用于亞音速和超音速流動問題，需輸入動壓和馬赫數(shù)總壓=靜壓+動壓Normalvelocity：法向速度Velocity：速度〔x/y/z任一方向速度〕39邊界條件進(jìn)/出口邊界Massflow：質(zhì)量流量Gradient=0：Gradient=0-pressure：作為靜態(tài)壓力邊界Gradient=0-allvariables：不保證整體的連續(xù)，適用于可壓縮流動40邊界條件1〕對于風(fēng)道穩(wěn)態(tài)計算，一般進(jìn)口用流量，出口用靜壓或梯度為零；假設(shè)是瞬態(tài)計算，往往進(jìn)出口都采用壓力邊界條件，如果計算不易收斂，那么建議進(jìn)出口都采用流量〔出口流量的值要改變符號〕2〕對于冷卻水套一般進(jìn)口定義流量，出口定義靜壓或梯度為零。建議是有實測的靜壓值，這樣有助于加快計算收斂3〕入口處湍流值的給定：一般"turb.ref.velocity"處填入進(jìn)口平均速度〔可根據(jù)流量估算〕"%ofmeanvelocity"一般填1-10"%ofhydraulicdiameter"一般填5-10這樣及下面兩項都會由程序自動算出一般來說，TKE的值大一些對計算收斂有幫助41初始條件流體物性可預(yù)設(shè)為常量(空氣,流體或新物性),也可用公式定義；所有變量在全場的初始化可通過均勻初始化和勢流場初始化來實現(xiàn)；對于瞬態(tài)計算，初始條件必須準(zhǔn)確給定，因為后續(xù)時間步的結(jié)果直接受其影響。42離散計算邊界值：ExtrapolateandMirrorMirror對于邊界網(wǎng)格質(zhì)量不好的情況更為適用，可作為"默認(rèn)"選項計算導(dǎo)數(shù)的方法：LeastSq.Fit〔最小二乘法〕andGauss〔高斯法〕，Gauss作為"默認(rèn)"選項Cellfaceadjustment:限制擴(kuò)散項，影響能量守衡；但對質(zhì)量不好的網(wǎng)格計算有幫助人工可壓縮性〔ArtificialCompressibility)：實現(xiàn)了每個單元采用不同的時間步長，這樣松弛因子可以加大，減少計算時間43算法SimpleSimple/cSimple/PisoSimples算法是根底算法，piso算法能減少30%-50%的計算時間SIMPLEC對于一些壓力-速度耦合起的作用較大的應(yīng)用會得到更好的結(jié)果.而在一些有其他源項的情況下,如較強(qiáng)的湍流,噴霧,燃燒時SIMPLE法算得會更好44控制方程S-A單方程模型：一般用于高馬赫數(shù)流動渦粘性/耗散模型〔k-e〕：雙方程模型，復(fù)雜流動的模擬不夠準(zhǔn)確。優(yōu)點是計算穩(wěn)定性好，對計算資源的要求和花費低k-f：四方程模型，精度和穩(wěn)定性都較好，推薦使用，計算時間僅比k-e模型多15%RSM模型：對每個湍流應(yīng)力分量的求解能準(zhǔn)確模擬湍流應(yīng)力場及其各相異性。缺點是對計算資源有很高的要求，計算穩(wěn)定性較差A(yù)VL復(fù)合湍流模型〔HTM)：結(jié)合k-e模型與RSM模型的優(yōu)點45控制方程46壁面處理

壁面的層流區(qū)對于各種湍流方程不適用，與之對應(yīng)的解決方法有兩種壁面函數(shù)法低RE數(shù)法47收斂標(biāo)準(zhǔn)48最大迭代次數(shù)殘差滿足收斂收斂？物理判斷收斂案例操作案例描述：常溫流體〔空氣〕以指定的質(zhì)量流量從進(jìn)口面，進(jìn)入計算域，從出口面流出，計算該計算域內(nèi)的流動49入口出口邊界條件進(jìn)口指定質(zhì)量流量