基于AVL-FIRE的CFD分析过程及案例操作.ppt

1、2015年09月01日,基于AVL-FIRE的CFD分析过程及案例操作,2,理论基础,流体力学 理想流体与粘性流体 粘性力相邻流体层之间的相对运动阻力 理想流体使用的条件： 流体粘性小（如空气和水）；相对运动速度小； 粘性力对比其他类型的力（如惯性力）可忽略不计 牛顿流体与非牛顿流体 牛顿内摩擦定律 动力粘度、运动粘度 空气、水 / 聚合物溶液，牛奶,3,理论基础,流体热传导与扩散 热传导：温度高 低 热扩散：浓度高 低 可压流体与不可压流体 密度决定是否可压 空气为可压流体；水为不可压流体 某些特定条件下的可压流体也可做不可压处理,4,理论基础,定常与非定常流动 流体流动物理量（P、T、V）

2、是否随时间变化 定常流动（稳态流动/恒定流动）：常数边界条件 非定常流动（瞬态流动）：非常数边界条件,理论基础,层流与湍流,5,层流,湍流,层流：流体分层运动，在流动过程中没有相互掺杂，只做相对滑动。 湍流：流体流速过快时，流体向各个方向运动，各流层之间混杂，出现漩涡,理论基础,流动状态（层流与湍流）的判断： 圆管内流动： Re800012000,则为湍流 2300Re8000, 为过渡区（按湍流计算） 非圆管流动： d为水力半径，d=4A/X； A为流通截面积 X为湿周：流通界面上液体与固体接触长度,6,AVL-FIRE简介,7,AVL-FIRE简介,8,AVL-FIRE简介,9,AVL-F

3、IRE简介,软件介绍： AVL-FIRE是AVL公司自己开发并一直在应用, 不仅能求解通用流动问题, 也能求解最复杂的内燃机缸内流动和燃烧等现象的CFD软件。它在求解瞬态复杂流动方面的优势使其在求解普通流动方面更是得心应手,10,AVL-FIRE简介,AVL-FIRE除了具备当前市面上其它通用CFD软件所具有的功能外，还有如下几个方面的优势及特点： 极其友好的用户界面和一流的网格生成技术 FIRE界面简洁明了 网格生成过程以导航程序引导，有不同程度自动化生成方法，用户可随心所欲实现各种形式的局部网格细化，还可快速进行移动网格的生成。 对任意复杂的几何形状，都可自动生成六面体网格占80以上的混合

4、网格,11,AVL-FIRE简介,先进的算法+物理模型+应用经验 采用最先进的以网格面为基准的适用于任意形状多面体网格的求解技术，是当前CFD软件中第一个采用这种技术的 FIRE所提供的湍流模型中除通用的模型外，还有AVL提出的复合湍流模型结合了模型的快速稳定性及RSM模型的高精度。 FIRE多相流模型在同类软件中具有最高水平。 FIRE软件所带有的多个喷雾、燃烧模型适用范围之广，被认证的算例之多在同行是受到公认的。 结合先进的多相流技术，FIRE不断推出新的更准确的喷雾模拟技术，如将喷嘴内多相流计算与缸内喷射模拟结合起来,12,AVL-FIRE简介,手段高超的结果处理器 FIRE的后处理功能

5、完备，简单易用。除常有的工具外，还有“电影导演”， 能直接在界面上以电影形式演示三维瞬态分析结果，然后可存成通用movie文件格式，这是其它软件所没有的。 数据接口及并行计算 可以与通用CAD软件，其他网格生成器，求解器，后处理器都有相应的接口。并行计算能力适用于SMP(共享内存多处理器)系统，对DMP(分散内存多处理器系统)采用MPI技术进行并行计算,13,AVL-FIRE简介,应用实例： 进气道 冷却水套 缸内燃烧 进排气系统 尾气净化装置 CFD/FEM耦合计算,14,AVL-FIRE应用,FIRE应用一：进气道,15,AVL-FIRE应用,FIRE应用一：进气道,16,AVL-FIRE

6、应用,FIRE应用一：进气道,17,AVL-FIRE应用,FIRE应用二：冷却水套,18,AVL-FIRE应用,FIRE应用二：冷却水套,19,AVL-FIRE应用,冷却水套 冷却水套模拟计算也是发动机开发过程的常规计算。对水套的优化分析包括： 如何分区生成网格以便于调整气缸垫孔径大小，快速实现流量分布的优化； 近壁网格层数的选取； 在准确预测热传导方面，除有对流换热模型，还考虑某些局部的沸腾换热，同时与通用有限元软件可直接耦合以计算出准确的传热和温度场； 先进的多相流模块使准确计算冷却水灌注的瞬态过程成为可能，这类模拟分析有助于预测水套中残存气泡的部位，以修改结构排除局部过热的隐患,20,A

7、VL-FIRE应用,FIRE应用三：缸内燃烧喷雾,21,AVL-FIRE应用,FIRE应用三：缸内燃烧喷雾,22,AVL-FIRE应用,柴油机缸内喷雾燃烧 由于柴油机多采用螺旋式气道，在能给出适当的初始涡流比，初始湍流条件的情况下对缸内流动燃烧分析往往可从进气门关闭开始，这样就可避免在计算模型中包含进气道及气门运动，大大简化计算模型并缩短计算时间。 近两年来新增的ESE-Diesel-参数化的燃烧室高压循环分析优化工具是一个具有独立界面的集成的自动化分析模块，带有多个参数化的燃烧室结构供用户选择, 可自动进行移动网格的生成、缸内瞬态流动喷雾燃烧的计算并自动生成对结果的分析报告。一个分析流程之后

8、用户可直接在界面内改变燃烧室结构参数重新计算, 以实现对燃烧室形状的优化。同时结合优化软件对喷射参数和燃烧参数都可进行优化,23,AVL-FIRE简介,FIRE应用四：进排气系统 由于采用先进的网格生成技术，静态进气系统的建模过程可在一小时内完成。排气管内除一般的流动传热分析外，FIRE还有专门的尾气后处理模块对三元催化转化器内的流动，传热及排放物的转化进行模拟计算。国内也有FIRE用户成功进行催化器CFD模拟和试验研究,24,AVL-FIRE简介,FIRE应用四：进排气系统,25,AVL-FIRE简介,FIRE应用四：进排气系统,26,CFD求解过程,实际问题 数学模型 数值求解 分析结果,

9、27,建立控制方程,确立初始条件及边界条件,划分计算网格，生成节点,建立离散方程,离散初始条件和边界条件,给定求解控制参数,求解离散方程,输出结果,是否收敛,是,否,分析流程,28,CAD模型准备,模型处理（封闭流体区域,定义selections,创建特征线,划分网格,边界条件,初始条件,控制方程设置,松弛因子设置,收敛标准设置,输出结果设置,结果处理,2D结果,Pro/E,AVL-FIRE,分析流程,CAD模型准备 输出的表面模型必须完整、连续,29,设定相邻面片间的最大角度差值，小角度可以提高STL文件的精度,CAD模型表面,STL表面,弦高越小，与实际模型越接近,分析流程,定义selec

10、tions 一个 selection 是一系列的网格单元，网格表面或点，通过它可以对局部区域进行特殊定义和处理,30,分析流程,线网格：表面网格的特征边缘线,31,分析流程,划分面网格体网格,32,设定整体网格最大最小尺寸,对需要细化的selection单独设定尺寸,设定边界层数,其他网格处理,生成体网格,网格质量检查,减小尺寸,分析流程,网格质量,33,分析流程,网格质量,34,分析流程,网格质量,35,分析流程,网格质量,36,分析流程,网格质量,37,边界条件,边界条件 所谓边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律，只有给定了合理的边界条件，才能计算得

11、出流场的解,FIRE中边界条件分类,38,边界条件,进/出口边界,对称边界,壁面边界,边界条件,进/出口边界 Static pressure：静压 Total pressure：总压 Stagnation pressure：用于亚音速和超音速流动问题，需输入动压和马赫数 总压=静压+动压 Normal velocity：法向速度 Velocity：速度（x/y/z任一方向速度,39,边界条件,进/出口边界 Mass flow：质量流量 Gradient=0： Gradient =0-pressure：作为静态压力边界 Gradient=0-all variables：不保证整体的连续，适用于可

12、压缩流动,40,边界条件,1）对于风道稳态计算，一般进口用流量，出口用静压或梯度为零；若是瞬态计算，往往进出口都采用压力边界条件，如果计算不易收敛，则建议进出口都采用流量（出口流量的值要改变符号） 2）对于冷却水套一般进口定义流量，出口定义静压或梯度为零。 建议是有实测的静压值，这样有助于加快计算收敛 3）入口处湍流值的给定： 一般turb.ref.velocity处填入进口平均速度（可根据流量估算） % of mean velocity一般填1-10 % of hydraulic diameter一般填5-10 这样Turb.kin.energy及下面两项都会由程序自动算出 一般来说，TKE

13、的值大一些对计算收敛有帮助,41,初始条件,流体物性可预设为常量(空气,流体或新物性), 也可用公式定义；所有变量在全场的初始化可通过均匀初始化和势流场初始化来实现；对于瞬态计算，初始条件必须准确给定，因为后续时间步的结果直接受其影响,42,离散,计算边界值：Extrapolate and Mirror Mirror 对于边界网格质量不好的情况更为适用，可作为默认选项 计算导数的方法：Least Sq. Fit（最小二乘法） and Gauss（高斯法），Gauss 作为默认选项 Cell face adjustment: 限制扩散项，影响能量守衡；但对质量不好的网格计算有帮助 人工可压缩性（

14、Artificial Compressibility)：实现了每个单元采用不同的时间步长 ，这样松弛因子可以加大 ，减少计算时间,43,算法,Simple Simple/c Simple/ Piso Simples算法是基础算法，piso算法能减少30%-50%的计算时间,SIMPLEC 对于一些压力-速度耦合起的作用较大的应用会得到更好的结果. 而在一些有其他源项的情况下, 如较强的湍流, 喷雾, 燃烧时SIMPLE 法算得会更好,44,控制方程,S-A单方程模型：一般用于高马赫数流动 涡粘性/耗散模型（k-e）：双方程模型，复杂流动的模拟不够准确。优点是计算稳定性好，对计算资源的要求和花费低 k-f：四方程模型，精度和稳定性都较好，推荐使用，计算时间仅比k-e模型多15% RSM模型：对每个湍流应力分量的求解能准确模拟湍流应力场及其各相异性。缺点是对计算资源有很高的要求，计算稳定性较差 AVL复合湍流模型 （HTM)：结合k-e模型与RSM模型的优点,45,控制方程,46,壁面处理,壁面的层流区对于各种湍流方程不适用，与之对应的解决方法有两种 壁面函数法 低RE数法,47,收敛标准,48,最大迭代次数,残差满足收敛,收敛,物理判断,收敛,案例操作,案例描述：常温流体（空气）以指定的质量流量从进口面，进入计算域，从出口面流出，计算该计算域内