基于AVL-FIRE的CFD分析過(guò)程及案例操作

2021年09月01日基于AVL-FIRE的CFD分析過(guò)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(duì)運(yùn)動(dòng)阻力理想流體使用的條件：流體粘性小〔如空氣和水〕；相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度?。徽承粤Ρ日掌渌愋偷牧Α踩鐟T性力〕可忽略不計(jì)牛頓流體與非牛頓流體牛頓內(nèi)摩擦定律動(dòng)力粘度、運(yùn)動(dòng)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(dòng)流體流動(dòng)物理量〔P、T、V〕是否隨時(shí)間變化定常流動(dòng)〔穩(wěn)態(tài)流動(dòng)/恒定流動(dòng)〕：常數(shù)邊界條件非定常流動(dòng)〔瞬態(tài)流動(dòng)〕：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(yùn)動(dòng)，在流動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有相互摻雜，只做相對(duì)滑動(dòng)。湍流：流體流速過(guò)快時(shí)，流體向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，各流層之間混雜，出現(xiàn)漩渦。理論根底流動(dòng)狀態(tài)〔層流與湍流〕的判斷：圓管內(nèi)流動(dòng)：Re<2300,那么為層流Re>8000~12000,那么為湍流2300<Re<8000,為過(guò)渡區(qū)〔按湍流計(jì)算〕非圓管流動(dòng)：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(zhǎng)度6AVL-FIRE簡(jiǎn)介7AVL-FIRE簡(jiǎn)介8AVL-FIRE簡(jiǎn)介9AVL-FIRE簡(jiǎn)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(dòng)問(wèn)題,也能求解最復(fù)雜的內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)和燃燒等現(xiàn)象的CFD軟件。它在求解瞬態(tài)復(fù)雜流動(dòng)方面的優(yōu)勢(shì)使其在求解普通流動(dòng)方面更是得心應(yīng)手。10AVL-FIRE簡(jiǎn)介11AVL-FIRE簡(jiǎn)介12AVL-FIRE簡(jiǎn)介13AVL-FIRE簡(jiǎn)介應(yīng)用實(shí)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(jì)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(jì)算也是發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過(guò)程的常規(guī)計(jì)算。對(duì)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(shí)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(cè)熱傳導(dǎo)方面，除有對(duì)流換熱模型，還考慮某些局部的沸騰換熱，同時(shí)與通用有限元軟件可直接耦合以計(jì)算出準(zhǔn)確的傳熱和溫度場(chǎng)；先進(jìn)的多相流模塊使準(zhǔn)確計(jì)算冷卻水灌注的瞬態(tài)過(guò)程成為可能，這類模擬分析有助于預(yù)測(cè)水套中殘存氣泡的部位，以修改結(jié)構(gòu)排除局部過(guò)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(duì)缸內(nèi)流動(dòng)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(jì)算模型中包含進(jìn)氣道及氣門運(yùn)動(dòng)，大大簡(jiǎn)化計(jì)算模型并縮短計(jì)算時(shí)間。近兩年來(lái)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(gè)具有獨(dú)立界面的集成的自動(dòng)化分析模塊，帶有多個(gè)參數(shù)化的燃燒室結(jié)構(gòu)供用戶選擇,可自動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)網(wǎng)格的生成、缸內(nèi)瞬態(tài)流動(dòng)噴霧燃燒的計(jì)算并自動(dòng)生成對(duì)結(jié)果的分析報(bào)告。一個(gè)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(jì)算,以實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒室形狀的優(yōu)化。同時(shí)結(jié)合優(yōu)化軟件對(duì)噴射參數(shù)和燃燒參數(shù)都可進(jìn)行優(yōu)化23AVL-FIRE簡(jiǎn)介24AVL-FIRE簡(jiǎn)介FIRE應(yīng)用四：進(jìn)排氣系統(tǒng)

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

26CFD求解過(guò)程實(shí)際問(wèn)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(jì)算網(wǎng)格，生成節(jié)點(diǎn)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(shí)際模型越接近分析流程定義selections一個(gè)selection是一系列的網(wǎng)格單元，網(wǎng)格外表或點(diǎn)，通過(guò)它可以對(duì)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(duì)需要細(xì)化的selection單獨(dú)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(diǎn)及時(shí)間變化的規(guī)律，只有給定了合理的邊界條件，才能計(jì)算得出流場(chǎng)的解。FIRE中邊界條件分類38邊界條件進(jìn)/出口邊界對(duì)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(dòng)問(wèn)題，需輸入動(dòng)壓和馬赫數(shù)總壓=靜壓+動(dòng)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(dòng)40邊界條件1〕對(duì)于風(fēng)道穩(wěn)態(tài)計(jì)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(jì)算，往往進(jìn)出口都采用壓力邊界條件，如果計(jì)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(hào)〕2〕對(duì)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(shí)測(cè)的靜壓值，這樣有助于加快計(jì)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(xiàng)都會(huì)由程序自動(dòng)算出一般來(lái)說(shuō)，TKE的值大一些對(duì)計(jì)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(chǎng)的初始化可通過(guò)均勻初始化和勢(shì)流場(chǎng)初始化來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于瞬態(tài)計(jì)算，初始條件必須準(zhǔn)確給定，因?yàn)楹罄m(xù)時(shí)間步的結(jié)果直接受其影響。42離散計(jì)算邊界值：ExtrapolateandMirrorMirror對(duì)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(xiàng)計(jì)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(xiàng)Cellfaceadjustment:限制擴(kuò)散項(xiàng)，影響能量守衡；但對(duì)質(zhì)量不好的網(wǎng)格計(jì)算有幫助人工可壓縮性〔ArtificialCompressibility)：實(shí)現(xiàn)了每個(gè)單元采用不同的時(shí)間步長(zhǎng)，這樣松弛因子可以加大，減少計(jì)算時(shí)間43算法SimpleSimple/cSimple/PisoSimples算法是根底算法，piso算法能減少30%-50%的計(jì)算時(shí)間SIMPLEC對(duì)于一些壓力-速度耦合起的作用較大的應(yīng)用會(huì)得到更好的結(jié)果.而在一些有其他源項(xiàng)的情況下,如較強(qiáng)的湍流,噴霧,燃燒時(shí)SIMPLE法算得會(huì)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(dòng)渦粘性/耗散模型〔k-e〕：雙方程模型，復(fù)雜流動(dòng)的模擬不夠準(zhǔn)確。優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算穩(wěn)定性好，對(duì)計(jì)算資源的要求和花費(fèi)低k-f：四方程模型，精度和穩(wěn)定性都較好，推薦使用，計(jì)算時(shí)間僅比k-e模型多15%RSM模型：對(duì)每個(gè)湍流應(yīng)力分量的求解能準(zhǔn)確模擬湍流應(yīng)力場(chǎng)及其各相異性。缺點(diǎn)是對(duì)計(jì)算資源有很高的要求，計(jì)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(diǎn)45控制方程46壁面處理

壁面的層流區(qū)對(duì)于各種湍流方程不適用，與之對(duì)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(jì)算域，從出口面流出，計(jì)算該計(jì)算域內(nèi)的流動(dòng)49入口出口邊界條件進(jìn)口指定質(zhì)量流量