CONVERGE中文简介.pdf

第 1 页 共 6 页 新一代新一代内燃机内燃机 cfd 模拟模拟软件软件 convergetm cfd 美国 csi 公司开发的计算流体力学分析软件 convergetm，成功地解决了 cfd 领域中非常棘手的动网 格问题。其首先被最关注此问题的发动机行业所成功应用。其同时也是一款优秀的通用 cfd 软件，其强 大的功能也适用于更广泛的工程各领域；完全自动化的网格生成功能适合于从简单到非常复杂的所有几 何模型，这不仅消除了网格划分的时间，而且极大地提高软件使用效率。 目前很多大型的发动机生产厂家，比如 caterpillar 公司，在用 convergetm进行优化设计；全球前 4 大汽车公司中，已经有 3 家是 converge 的用户；新用户每天都在增加 一、一、 convergetm的特色的特色 1 针对其它传统 cfd 分析工具对于动网格处理能力的不足，由发动机研发与 cfd 软件开发两领域 的专家合作开发而成。 2 软件自动运用实时网格处理实时网格处理技术进行网格剖分，用户不用花时间划分网格。 3 移动边界移动边界的处理和固定边界一样简单。 因此， 如果您的模拟中包含可移动的边界， 如气门和活塞， 那么您将不需要额外的处理时间。 4 采用结构化结构化的笛卡尔网格，以提高计算精度。 5 网格密度调整网格密度调整非常容易，有利于获得最满意的计算结果。 6 在导入几何模型的过程中， 几何模型几何模型的特征被精确精确保留。 网格密度变化时， 而拓扑结构保持不变。 7 采用动态网格放大动态网格放大/缩小缩小技术，在计算过程中根据需要，按比例自动放大/缩小网格尺寸，以获得 对计算资源的最佳利用。 8 固定网格嵌入固定网格嵌入技术的采用，使我们在某些必要的场合（喷嘴附近或边界层附近）可以进一步提高 计算精度。同时，固定网格嵌入功能可以在计算过程中随时启用或停止。 第 2 页 共 6 页 9 在速度场和其它标量场（如温度场） ，可以利用网格自适应技术网格自适应技术增加网格密度。用户可以自行设 定最大网格数，这样系统可以自动分配计算资源，获得最佳计算效果。 10 convergetm cfd 中包含一个化学反应的求解器包含一个化学反应的求解器 sage，毋需再花钱购买化学反应求解器。 11 convergetm中还包含了关于喷射、壁面薄膜、点火、湍流、燃烧和排放等过程的子模型。 12 支持并行计算并行计算，自动进行计算域的分配。 13 convergetm可以满足你对内燃机模拟的所有需要，使用户不再为了匹配不同软件的计算结 果而费力。 二、二、 convergetm主要功能主要功能 1 convergetm网格的网格的处理功能处理功能 1). 在 convergetm中，网格剖分是 convergetm软件本身功能的组成部分，因此，无需人为划 分网格就能获得高质量的正交六面体网格； 2). 在 convergetm中，用户只需方便地设定运动边界的运动规律，而无需关注网格的变化； 3). convergetm的网格控制能力强大。在同一个模拟中，同时对任意数量的点进行网格控制， 也可在任意模拟时刻改变网格疏密。 2 convergetm的的发动机发动机 cfd 分析功能分析功能 1). 进进/排气管道系统的设计和优化排气管道系统的设计和优化：通过动态仿真模拟来对进排气管道系统进行优化设计。 2). 燃烧燃烧/排放分析排放分析，包括：火花塞点燃方式发动机的湍流火焰模型（如图 1 所示） 、火花塞点 燃式发动机的 cochnox 和爆燃模型、直喷式柴油机 nox 和碳烟排放模型、用户可添加 chemkin 格式组分数据等。 图 1 火花塞点火过程模拟 图 2 几何优化 3). 气门升程曲线优化气门升程曲线优化：convergetm能够加入气门升程的试验数据，也可用户自编升程曲线。 4). 几何模型优化几何模型优化：convergetm采用遗传算法对几何模型进行优化设计，如：活塞顶部形状优 化（如图 2 所示）等。 5). 气道喷射过程分析气道喷射过程分析，包括：多孔喷射、油滴分布、壁面薄膜、油滴碰撞与混合、urea 喷射 等。 6). 高压轨腔优化设计高压轨腔优化设计，包括：轨腔结构优化、轨腔内部压力瞬态分析等。 第 3 页 共 6 页 7). 实时发动机系统的动态仿真实时发动机系统的动态仿真：convergetm可同时模拟多个气缸的工作过程。 8). 废气阀和旁通阀设计废气阀和旁通阀设计，及其它，及其它 三、三、 发动机模拟工程应用发动机模拟工程应用 1 柴油发动机柴油发动机 convergetm中的网格自适应技术网格自适应技术、处理处理 复杂几何复杂几何和移动边界移动边界的能力以及丰富的喷射 和燃烧模型， 使其成为模拟柴油发动机工作过 程的最理想工具。采用 convergetm可以对柴 油发动机的完整工作过程进行模拟 （如图 3 所 示） ，而不必依赖其它软件。 为了提高效率， 有时我们只对燃烧室的一 部分进行模拟，比如具有周期性、对称性的模 型。图 4 展示了我们对柴油机燃烧室的 1/6 模 型进行模拟的过程（温度场用不同的颜色表示） 。 图 4 燃烧室 1/6 模型仿真模拟 图 5 喷射过程模拟 对于柴油发动机的模拟来说，结果的准确性，很大程度上取决于喷射模型的精确程度和合适的网 格密度。图 5 显示了利用网格自适应功能模拟的喷射过程（温度场用不同的颜色表示） 。 2 汽油发动机汽油发动机 对于汽油发动机的模拟来说，convergetm在 pfi 和 gdi 的设计中都表现得非常出色，这主要得 益于它处理复杂几何的能力、强大的燃烧反应求解器 sage 和网格自适应技术。 图 6 展示的 gdi 发动机模拟。从几何模型的定义到开始模拟，只用了 2-3 个小时。这些时间主要 图 3 高速直吸式柴油发动机的吸气过程速度场模拟 第 4 页 共 6 页 是用于定义曲面边界以及计算文件的设定。如此快捷的一个主要原因，就是 convergetm里面的网格 是在计算的时候实时生成的，使用者不需要花时间在网格划分上。 图 6 吸气时的速度场（使用网格加密能精确反映 结构对流动的影响） 图7 燃油与空气的混合气喷入燃烧室的雾化过程 模拟 图 7 是在模拟进气冲程时燃油喷射过程，采用了 convergetm里自带的“压力-涡量”喷射模型来 模拟雾化器。 对于汽油机，燃油与空气混合气被雾化后，convergetm使用火花塞模型点燃混合气。化学反应 模型用于模拟燃烧过程，使用网格自适应可以精确模拟火焰传播过程。图 8 为加入火花塞后，火焰传 播过程的模拟。 图 8 火花塞点火后，火焰传播过程模拟 图 9 采用网格自适应来模拟火焰传播过程 第 5 页 共 6 页 图 9 为模拟发动机点火过程中汽缸的温度场， 该模拟是使用 convergetm的 sage 化学反应求解 器来模拟火焰传播过程。网格自适应与 sage 结合能精确计算火焰传播面的位置。 3 发动机系统模拟发动机系统模拟 当使用 convergetm进行模拟时，用户 不必花费时间在网格划分上，这样进行多缸 的发动机模拟（如图 10 所示）同进行单缸 发动机的模拟一样容易。用户可以尽可能多 的加入进气或/和排气管道，只要设定发动 机的循环边界进行模拟；并且，用户就可以 对任何一个关键区域的任意时刻进行重点 求解。这样，用户可以完成一些前人或/和 传统cfd软件没有或不能完成的发动机系统 方面的模拟，主要包括： 缸与缸之间的效率分析。 通过对所有缸 进行充分的计算， 进行缸与缸之间关系 的研究。 采用重点模拟某一缸来模拟缸内压力 的动态变化情况。该方法是这样的，对其中某一缸采用加密网格求解，以便对缸内的燃烧做精 确的预测， 而其它缸采用粗网格方式目的是来捕捉排气门打开时气缸内的压力。 在本质上， “粗 网格气缸”主要是帮助“精网格气缸”来确定边界条件。 4 其它应用其它应用 convergetm还可以应用于增压发动机、天然气发动机、喷射模拟及高压共轨柴油机等等，也可 以应用于新兴起的 hcci（均质充气压缩点燃方式）发动机的模拟。 由于 converge 也是一套通用的 cfd 分析软件，因此除了因为其对动网格的特殊处理功能非常适 合发动机缸内流场分析外，其也适合做其它的通用流场模拟。例如：外流场、大涡模拟以及高复杂机 构等流体分析；液压/气压阀（如，节流阀、减压阀、比例阀及方向阀等）的优化设计等。 图 11 中，用 convergetm对小型卡车的外流场进行模拟，发现后挡板正常立起时卡车的气动 阻力比放下后挡板的气动阻力小 4%，这与传统的理解正好相反。而实验证实确实如此！由于 convergetm分析不需要剖分网格，因此，其可以大大减轻操作人员的工作量。同需要进行繁琐网 格剖分的传统 cfd 软件相比，convergetm的分析效率得到非常大的提高。 图 12 的例子展示了利用 convergetm对马赫数为 10 的超高速流动的外流模拟。 图 10 发动机系统工作过程的模拟 第 6 页 共 6 页 图 11 通过 cfd