流动部件的建模

1、CDAJ-CHINACDAJ-CHINA所属：所属：GT TEAMq流动基本方程和解法流动基本方程和解法q时间步长的计算时间步长的计算q离散离散q普通管路的建模普通管路的建模q分叉管的建模分叉管的建模q连接部件的建模连接部件的建模q边界条件的设定边界条件的设定连续方程：连续方程：能量方程：能量方程：动量方程：动量方程：显显式式隐隐式式 求解的难点往往不是微分方程本身和编制求解的难点往往不是微分方程本身和编制程序本身而是难于获知解题所需的各种实用和程序本身而是难于获知解题所需的各种实用和合理的物理常数及参数值。而这些往往是各个合理的物理常数及参数值。而这些往往是各个公司的技术秘密。公司的技术秘密

2、。 针对具体的对象，通过大量的试验和产品针对具体的对象，通过大量的试验和产品的使用经验而获得的。有的时候，由于对于研的使用经验而获得的。有的时候，由于对于研究对象的物理规律还不是很清楚，或者情况过究对象的物理规律还不是很清楚，或者情况过于复杂，就要利用经验公式和中间试验结果协于复杂，就要利用经验公式和中间试验结果协助进行计算。助进行计算。隐隐式：式： 计算结果依靠所有的网格和边界的条件建立计算结果依靠所有的网格和边界的条件建立非线性微分方程联立求解（迭代和插值）。一非线性微分方程联立求解（迭代和插值）。一般采用比较多的计算步数。但是计算的稳定性般采用比较多的计算步数。但是计算的稳定性要好于显式

3、算法。所以这种算法用于比较长的要好于显式算法。所以这种算法用于比较长的时间的模拟。时间的模拟。显显式：式：新的时间步长的结果只与控制体本身和相邻新的时间步长的结果只与控制体本身和相邻的节点有关，直接由前一个步长的结果求出不的节点有关，直接由前一个步长的结果求出不需要迭代。需要迭代。显示算法：显示算法：这种方法的时间步长必须满足这种方法的时间步长必须满足CourantCourant条件：条件：Courant数数 =1，一般我们取，一般我们取0.8 m：系数（：系数（def1）时间步长由时间步长由GT-SUITE本身决定。本身决定。 这种方法对于进排气系统和燃油喷射系统内的压力这种方法对于进排气系

4、统和燃油喷射系统内的压力波动计算比较准确。而冷却系统中一般不考虑压力波动计算比较准确。而冷却系统中一般不考虑压力波动。波动。 GT-FULE和大多数和大多数GT-POWER模型用这种算法。模型用这种算法。隐隐式算法：式算法： GT-COOL GT-COOL和和GT-POWERGT-POWER中暖机工况的排气系统中暖机工况的排气系统计算用这种方法。这种方法计算速度比较快，计算用这种方法。这种方法计算速度比较快，但是也必须满足一些条件：但是也必须满足一些条件：系统内参数波动比较小系统内参数波动比较小（或者在计算中这种波动不重要（或者在计算中这种波动不重要) )系统内最大的系统内最大的MachMac

5、h数小于数小于0.30.3（计算出的流量在节流出会高于实际流量）（计算出的流量在节流出会高于实际流量） 时间步长由用户直接输入。如果时间步长时间步长由用户直接输入。如果时间步长过大，程序会自动警告（或者在过大，程序会自动警告（或者在* *msg msg * *outout文件文件中显示中显示) )在在ImplicitSolnControl模块有比较详细的说明。模块有比较详细的说明。推荐：进气系统：推荐：进气系统： 离散长度离散长度0.40BORE 排气系统：排气系统： 离散长度离散长度0.55BORE在需要高频分析的时候要把离散长度变短。在需要高频分析的时候要把离散长度变短。例如例如: 声学分

6、析和性能分析声学分析和性能分析6000rpm+声学分析的时候的离散长度应为性能分析的一半。声学分析的时候的离散长度应为性能分析的一半。 系统中不能有一到两个长度很短（远小于离散系统中不能有一到两个长度很短（远小于离散长度）的部件，这样会导致时间步长很小，计算时长度）的部件，这样会导致时间步长很小，计算时间过长。一般来讲可以把这些长度很短的部件合并间过长。一般来讲可以把这些长度很短的部件合并到连接件中来考虑。到连接件中来考虑。 限制时间步长的部件可以在限制时间步长的部件可以在GT-POST的的Time Step Restriction中看到，或者在中看到，或者在* out文件中看到。文件中看到。

7、摩擦损失：摩擦损失：在在Run setup 中的中的Flow control可以通过定义可以通过定义Global Friction Multiplier (constant term)增加整个流动系统的摩擦。或者通过定义增加整个流动系统的摩擦。或者通过定义Global Friction Multiplier (unsteady term)研究流体流动脉冲对摩擦损失的影响。研究流体流动脉冲对摩擦损失的影响。层层流流湍流湍流D:管路直径h:粗糙高度 压力损失：压力损失：主要是由于管路的弯曲、截面的变化引主要是由于管路的弯曲、截面的变化引起的。程序中可以通过定义压力损失系数起的。程序中可以通过定义压

8、力损失系数Cp来考来考虑。这里的压力损失系数不考虑壁面的摩擦。如果虑。这里的压力损失系数不考虑壁面的摩擦。如果设置为设置为Def, ,程序将对其进行自动的计算（以大量的程序将对其进行自动的计算（以大量的试验数据为依据）。另外试验数据为依据）。另外, ,这里的压力损失系数还这里的压力损失系数还不包括管路截面形状突变带来的损失，这些损失不包括管路截面形状突变带来的损失，这些损失GT-SUITE也将自动计算。也将自动计算。p1 、p2为进出口总压V1进口流速传热传热对于光滑表面的传热系数采用对于光滑表面的传热系数采用ColburnColburn公式：公式：对于粗糙表面的传热系数需要进行修正：对于粗糙

9、表面的传热系数需要进行修正：( (因为表面粗糙度对传热影响很大）因为表面粗糙度对传热影响很大）在在Run setup 中的中的Flow control可以通过定义可以通过定义Global heat Transfer Multiplier来改变整个系统的传热系数。来改变整个系统的传热系数。传热系数传热系数 流体温度流体温度壁面温度壁面温度 总的散热量总的散热量壁面温度壁面温度Heat Conduction Object使用HeatCComps 用户输入：自然对流、强制对流以及辐射的用户输入：自然对流、强制对流以及辐射的相关参数。对于自然对流的空气其换热系数一相关参数。对于自然对流的空气其换热系数

10、一般为般为5 520W/m220W/m2* *K K。最大值通常在有风扇的情。最大值通常在有风扇的情况下的值（但是不考虑风扇直接吹向表面的那况下的值（但是不考虑风扇直接吹向表面的那部分）热辐射系数通常设置为部分）热辐射系数通常设置为0.50.50.80.8。发光。发光物质的热辐射系数更小。物质的热辐射系数更小。温度可以进行稳态温度可以进行稳态/ /瞬态的求解，但是在暖机过程中只能采用瞬态求解。瞬态的求解，但是在暖机过程中只能采用瞬态求解。在在ThermalControlThermalControl中控制。中控制。壁面温度的求解可以进行开关控制，操作同上。壁面温度的求解可以进行开关控制，操作同上

11、。可以进行绝缘管和同心管的建模。在可以进行绝缘管和同心管的建模。在HeatCComps可以进行多层管的建模。第一行是最里面的一层，最后一行是最外面的一层。而且每层都可以采用第一行是最里面的一层，最后一行是最外面的一层。而且每层都可以采用不同的材料。（不同的材料。（HeatCMaterials） HeatCFlangeHeatCFlange可以进行从一个部件表面到另一个部件表面传热的建可以进行从一个部件表面到另一个部件表面传热的建模（与流动平行）。特别是当两个部件间有较大的温度梯度的时候（比如模（与流动平行）。特别是当两个部件间有较大的温度梯度的时候（比如：从进气歧管到缸头）如果两个部件间用：从

12、进气歧管到缸头）如果两个部件间用 HeatCFlangeHeatCFlange连接，至少有一连接，至少有一个部件要激活个部件要激活HeatCComps。GTGT可以进行软管和弹性管的建模。可以进行软管和弹性管的建模。可以考虑在压力作用下管路的直径和长度的变化。可以考虑在压力作用下管路的直径和长度的变化。模型考虑：杨氏定律、泊松比和几何形状模型考虑：杨氏定律、泊松比和几何形状用用PipeFlexibleWallPipeFlexibleWall和和PipeRoundBendFlxWallPipeRoundBendFlxWall实现实现. .主要用于建立催化主要用于建立催化转转化器和化器和换热换热器

13、内部的管路。器内部的管路。只能和只能和flowsplitflowsplit或者和它有相同数目的芯子的管路连接或者和它有相同数目的芯子的管路连接与与flowsplitflowsplit时，每根内管分配的膨胀直径为时，每根内管分配的膨胀直径为一般用一般用defdef的的orificeorifice进行连接。进行连接。如果与如果与orificeorifice连接的时候，连接的时候，Number of Identical Holes Number of Identical Holes 必须设置为必须设置为1 1。除非用户想把每个芯子都连接一个。除非用户想把每个芯子都连接一个orificeorifice

14、。与与PipePipe类似，这种管路的传热也可以用类似，这种管路的传热也可以用HeatCCompsHeatCComps，但是如果管路，但是如果管路时蜂窝状的，在时蜂窝状的，在Free Convection/MatrixFree Convection/Matrix中要设置成中要设置成MatrixMatrix，External Convection Coefficient External Convection Coefficient 和和EmissivityEmissivity要设置为要设置为ignign。但是如果是换热器内部的管路（流动为横流。但是如果是换热器内部的管路（流动为横流), Fre

15、e ), Free Convection/MatrixConvection/Matrix中要设置成中要设置成offoff，这时需要设置每跟管路的外部对流，这时需要设置每跟管路的外部对流换热系数。换热系数。原因：原因：q如果管系中有比较大的锥角，流动会出现壁面分如果管系中有比较大的锥角，流动会出现壁面分离。因此，在一维流动系统的建模过程中，必须离。因此，在一维流动系统的建模过程中，必须要考虑到锥管对流动的影响。要考虑到锥管对流动的影响。q一维求解方法通过把一维求解方法通过把 PLPL设置为设置为def,def,设置合适的设置合适的离散长度，可以对长管（没有流动分离）内流体离散长度，可以对长管（没

16、有流动分离）内流体的流动模拟的比较精确。但是该方法对短管内的的流动模拟的比较精确。但是该方法对短管内的流动的分离计算不准确。流动的分离计算不准确。 当满足下述两个条件时，左图的管路可以简化成右图当满足下述两个条件时，左图的管路可以简化成右图的管路：的管路： 管路的连接件管路的连接件orificeorifice的参数应设置如下：的参数应设置如下：直径直径defdefd d缩流方向的流量系数缩流方向的流量系数CdCd 1 1，扩流方向的流量系数，扩流方向的流量系数CdCd1 1当满足一下条件的时候：当满足一下条件的时候：计算的精度将大大提高。计算的精度将大大提高。最大的离散长度由下式估算出来：最大

17、的离散长度由下式估算出来：CeilingCeiling是圆整函数。是圆整函数。FsplitTRight FsplitSphere FsplitGeneral FsplitAbsorbing 基本要素：截面面积和长度基本要素：截面面积和长度 当形状不规则的时候需要考虑体积。另外当形状不规则的时候需要考虑体积。另外需要调整摩擦系数、传热系数、压力损失系数需要调整摩擦系数、传热系数、压力损失系数以考虑几何形状对流动的影响。以考虑几何形状对流动的影响。只用定义只用定义1 1、2 2 的管径和长度，的管径和长度，3 3 的几何形状是默认的。的几何形状是默认的。只定义一个单独的体积，不进行离散。只定义一个

18、单独的体积，不进行离散。所以长度应该尽可能的跟离散长度相等。所以长度应该尽可能的跟离散长度相等。 当分叉管长度小于端点当分叉管长度小于端点3 3连接的管路直径的时候求解连接的管路直径的时候求解器自动进行调整，这种情况经常发生在消声器建模的时器自动进行调整，这种情况经常发生在消声器建模的时候，因为此时的离散长度很小。候，因为此时的离散长度很小。 这种连接可以有多种端口这种连接可以有多种端口 。每个端口都可以定义直径。每个端口都可以定义直径和方向。端口的方向可以依据一个相对坐标系来定义和方向。端口的方向可以依据一个相对坐标系来定义. .通常通常我们可以把一个端口的方向定义为一个坐标轴，而其他端我们

19、可以把一个端口的方向定义为一个坐标轴，而其他端口的位置可以通过调整其在相对坐标系的位置来确定。口的位置可以通过调整其在相对坐标系的位置来确定。特点：可以任意不规则形状的分叉管（包括上面两种）。特点：可以任意不规则形状的分叉管（包括上面两种）。需要的输入参数最多，但是定义的方式也最为灵活。需要的输入参数最多，但是定义的方式也最为灵活。最重要的两个参数是：最重要的两个参数是：r膨胀直径膨胀直径 流体从任意一个端口进入分叉管后的膨胀程度。只与流体从任意一个端口进入分叉管后的膨胀程度。只与分叉管的内部结构有关。而和与之连接的管路和接口的分叉管的内部结构有关。而和与之连接的管路和接口的结构无关。结构无关

20、。r特征长度特征长度 定义为流体从进入分叉管到遇到阻碍（壁面、流动边定义为流体从进入分叉管到遇到阻碍（壁面、流动边界等）的路径长度。即为流动和压力波在流域内所经过界等）的路径长度。即为流动和压力波在流域内所经过的路径，能够长度对压力波动和流动特性的影响（如碰的路径，能够长度对压力波动和流动特性的影响（如碰壁后的反射、叠加、抵消等等）壁后的反射、叠加、抵消等等） 端口端口3 3的膨胀直径为的膨胀直径为: :端口端口1 1、2 2的膨胀直径为：的膨胀直径为：DIAC1和和DIAC2特征长度如图特征长度如图DX1、DX2、 DX3所示所示:该结构形式的膨胀直径的计算分两种情况：该结构形式的膨胀直径的

21、计算分两种情况：1. 当当2和和3的流动不干涉的时候，端口的流动不干涉的时候，端口2、3的膨胀直径应该为的膨胀直径应该为DIAC1.2. 当当2和和3的流动干涉（同相）的时候，端口的流动干涉（同相）的时候，端口2、3的流动各膨的流动各膨胀到端口胀到端口1的的1/2.此时端口此时端口2、3的膨胀直径为：的膨胀直径为：该结构的特征长度的值为图中所示：该结构的特征长度的值为图中所示：DX1=DX2=DX3 主要用于消声器的建模中。与主要用于消声器的建模中。与FsplitGeneral很类似很类似，只是在其中填充了消声材料。，只是在其中填充了消声材料。 消声材料的流阻可以通过测量其在稳流速度场中压消声

22、材料的流阻可以通过测量其在稳流速度场中压力损失来获得。（把消声材料放置在管子里力损失来获得。（把消声材料放置在管子里 并用多孔并用多孔线网包起来）线网包起来）Orifice:圆孔圆孔/有一个固定的或者可控的直径有一个固定的或者可控的直径Valve: 提升阀、针阀、单向阀、进、排、扫气孔（二冲程）提升阀、针阀、单向阀、进、排、扫气孔（二冲程）Throttle：节气门：节气门,同同orifice类似类似Pressure lose ：压气损失：压气损失vs.流动特性（流动特性（GT-COOL、FUEL)Annular leak : GT-FUEL 泵的泄流阀泵的泄流阀orificeinletoutl

23、etd：orifice直径直径Din：进进口直径口直径Dout：出口直径：出口直径dDin or Dout 说明有节流。如果把说明有节流。如果把d设置为设置为def，则，则dmin Din, Dout 如果如果dDin 同时同时d Dout (例如例如Din/ Dout=10)则正向流量系数设置为则正向流量系数设置为0.8如果如果dDinDout 则流量系数为则流量系数为1。 已知压力损失和质量流量或者体积流量之间已知压力损失和质量流量或者体积流量之间的关系。用于模拟的关系。用于模拟GT-POWER/FUEL/COOL中中一些原件（散热器、缸体、空滤器等）的压力一些原件（散热器、缸体、空滤器等

24、）的压力损失。其不是一个真正的流动部件，用简化的损失。其不是一个真正的流动部件，用简化的动量方程。模型中用一个时间常数来保证计算动量方程。模型中用一个时间常数来保证计算的稳定性。的稳定性。 需要输入每个角度下的正反向流量系数。角需要输入每个角度下的正反向流量系数。角度可以设置为一个时间变量去模拟它开启和关闭度可以设置为一个时间变量去模拟它开启和关闭的过程，也可以通过执行器对其进行控制。的过程，也可以通过执行器对其进行控制。定义：有效流通面积定义：有效流通面积/ /参考流通面积参考流通面积用于计算通过阀体、节流阀、球形阀以及用于计算通过阀体、节流阀、球形阀以及orificeorifice等的流量等的流量对于液体：对于液体：对于气体：对于气体：其中：其中：当当压压比比满满足：足：对于对于orifice，AR通过通过orifice的直径来计算的直径来计算对于各种阀体，对于各种阀体，AR通过输入的参考直径来计算通过输入的参考直径来计算对于凸轮驱动的阀体，参考面积有两种不同的计算方法：对于凸轮驱动的