福特汽車如何開展冷卻系統的三維CFD分析？

2017-10-09  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

1、冷卻系統流體力學分析的常用方法概述

發動機工作時,氣缸內的氣體溫度可高達1927-2527℃,若不及時冷卻,將造成發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。目前對于發動機冷卻系統的流體分析一般有一維和三維分析兩種手段,二者各有優缺點及適應性,在研發過程中可配合使用。

1D仿真的特點有:

• 多用于初期設計階段,研究元件在系統當中的匹配特性以及系統的宏觀特性;

• 需要標定的特性參數較多;

• 需要專業的元件參數支撐;

• 求解速度快;

• 可獲得系統的宏觀特性結果;

• 無法得到系統關鍵部件內部的顯著流動狀況。

3D仿真的特點有:

• 多用于詳細設計階段,根據實物模型結構尺寸搭建;

• 可精確分析關鍵設備(如節溫器、冷卻水泵等)的行為特征及在系統中的工作匹配性;

• 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;

• 可直接獲得三維效應對系統性能產生的影響。

• 計算結果更詳細、準確

• 計算速度比1D慢。

由于一維流體系統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采用1D仿真的手段進行系統的性能預測。而隨著設計要求的提高和對于詳細設計的優化改進要求,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的模擬分析。

2、發動機冷卻系統CFD模擬的技術難點

對于包含多個零部件的冷卻系統CFD分析而言,從幾何模型、物理模型和數值計算分析各方面而言,均十分具有挑戰性:

1.幾何模型的復雜性:

• 組成零部件數量較多,部分零部件結構十分復雜;

• 系統內包含多個運動部件,相互之間存在協同運動;

• 部分區域存在小間隙流動。

2.物理現象的復雜性:

• 需要考慮系統內的紊流、空化和熱傳遞現象;

• 發動機轉速隨時間或運行條件變化;

• 節溫器內石蠟會隨溫度變化而發生相變,且需要考慮固體分布的導熱對于石蠟溫度的影響。

3.數值計算的復雜性:

• 部分運動機械需要應用動網格技術,且需要考慮流固耦合運動(例如節溫器閥門);

• 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;

• 系統內可能發生空化,對于兩相流模擬的收斂穩定有較高要求;

• 對于系統級的CFD模擬,需要有合理的計算時間和可接受的工程精度,方可對流體系統進行有效分析并指導設計改進。

鑒于上述技術難點,極少有CFD分析工具可以較好地進行冷卻系統的CFD模擬。而PumpLinx前處理功能的先進性、模板優勢和求解的快速穩定性使得對于此類系統的仿真變得相對容易。

3、PumpLinx冷卻系統案例介紹

3.1 模型概述

圖1 發動機冷卻系統示意圖

汽車發動機冷卻系統主要由以下幾個部件構成:發動機冷卻水套,冷卻泵,節溫器,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)節溫器

節溫器主要起到控制冷卻系統回路的作用。其內部包含兩個運動機構,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,使得運動機構的位置發生變化,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,通過構建閥門運動的動力學常微分方程并求解得到。

圖 2節溫器剖面圖

2)多孔介質模型應用

冷卻系統包含多個過流部件,為降低網格數量并保證計算結果的精度,對于部分過流部件采用多孔介質模型進行計算。本系統中散熱器,暖風器以及發動機均采用多孔介質模型進行仿真計算。

3.2 網格劃分

PumpLinx能夠通過二元細化和自適應技術來建立高效、高分辨率的網格,即使尺度差異懸殊的復雜幾何也是如此。本系統中發動機水套、冷卻水泵、節溫器的定子區域和連接管路等均采用二叉樹網格技術進行網格劃分,網格總數約270萬。

圖3 各過流部件網格結果

對于構成節溫器部件的提升閥和旁通閥部分,則應用PumpLinx的閥模塊技術,自動生成運動區域的高質量網格,并能根據計算獲得的閥門位移結果,自適應調整網格變化,無需其他的開發工作。

圖4 不同位移提升閥和旁通閥的網格變化(10s)

圖5 不同位移提升閥和旁通閥的網格變化(256s)

3.3 模型設置

• 采用非定常計算,其中速度項采用二階計算;

• 調用離心泵模板,應用MRF技術設置動網格;

• 調用閥門模板,自動構建閥門運動的動力學方程,并自動設置動網格運動;

• 調用傳熱模型,計算流體部分的傳熱以及節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 轉速

對兩種轉速工況進行了模擬分析:低轉速(Case A)和變轉速(Case B)。發動機轉速與冷卻水泵采用固定轉速比1.22,具體參數如下表所示。

轉速工況參數

工況	發動機轉速(rpm)	冷卻泵轉速(rpm)	時間(s)
Case A	770	940	定轉速
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,預緊力以及閥門質量等參數即可自動構建閥門運動的動力學方程:

具體參數如下表所示:

閥門運動模擬參數設置

閥芯質量	20.14g
彈簧剛度	850.63N/m
彈簧預緊力	3.742N

3.4.4 多孔介質模型

對于Case A,發動機水套采用真實模型,散熱器以及暖風器采用多孔介質模型;對于Case B,發動機水套,散熱器以及暖風器在仿真過程中采用多孔介質模型,具體設置參數如下圖所示。

圖7 多孔介質模型設置

3.4.5 熱源

本文在發動機水套(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,其計算公式為:

其中,m為數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 結果展示

3.5.1 Case A:低轉速(固定轉速)

提升閥開啟過程:冷卻系統的起始溫度為60℃,發動機不斷產生熱量,當溫度達到石蠟融點時,閥門開啟,節溫器打開。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-仿真結果對比

• 流量監測

下圖分別是不同時刻系統中各過流部件的流量結果對比。其中藍色為試驗結果,紅色為仿真結果,最大誤差不超過5%。

圖12 體積流量結果對比

3.5.2 Case B:高轉速(變轉速)

• 提升閥位移

下圖為提升閥隨時間變化的位移曲線對比,從仿真結果來看,CFD模擬結果與試驗結果吻合度較高。

圖13 提升閥位移變化曲線

• 流量監測

下圖分別是不同時刻系統中各過流部件的體積流量曲線圖。圖中,藍色為試驗結果,紅色為仿真結果,從圖中可以看出,除了暖風器以外,其余過流部件結果精度均較高,暖風器雖然誤差相對于大一些,但是,試驗結果與仿真結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

下圖為冷卻系統各過流部件溫度分布曲線,結果精度同樣很高。

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,閥門處于關閉狀態,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,當溫度低于石蠟凝固點之后,閥門開始關閉,直至最后全部關閉。

圖20 提升閥位移-冷卻劑溫度變化曲線

4、小結

本案例利用PumpLinx軟件模擬了一個能夠全面描述汽車發動機冷卻系統的三維瞬態CFD模型,并取得了較好的結果,對于發動機冷卻系統的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點如下:

• 可同時精確分析系統工作特性以及節溫器、冷卻水泵等關鍵設備的行為特征;

• 對于冷卻水泵的定轉速和變轉速均進行了模擬,不同工況計算獲得的系統瞬態流量分布結果精度較高;

• 對于石蠟相變所采用的簡化方法,可以獲得合理的計算結果,可以較好地評估滯后效應的影響;

• 對于由于石蠟相變引起的閥門運動可以較好地處理;

• 對于節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構熱傳遞對于提升閥內石蠟的影響;

• 仿真對于各零部件的參數要求較低,通過應用一些簡化模型,可以有效控制系統的網格數量,系統建模時間和求解時間相對較短;

• 算例采用的CFD算法對其他類型系統同樣適用。

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