流动部件的建模

流动部件的建模CDAJ-CHINA所属：GTTEAM主要内容流动基本方程和解法时间步长的计算离散普通管路的建模分叉管的建模连接部件的建模边界条件的设定流动的基本方程连续方程：能量方程：动量方程：显式隐式流动的基本方程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。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助进行计算。流动方程的解法隐式：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）。一般采用比较多的计算步数。但是计算的稳定性要好于显式算法。所以这种算法用于比较长的时间的模拟。显式：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需要迭代。时间步长的计算显示算法：这种方法的时间步长必须满足Courant条件：Courant数<=1，一般我们取0.8m：系数（def＝1）时间步长由GT-SUITE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波动计算比较准确。而冷却系统中一般不考虑压力波动。GT-FULE和大多数GT-POWER模型用这种算法。时间步长的计算隐式算法：GT-COOL和GT-POWER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，但是也必须满足一些条件：系统内参数波动比较小（或者在计算中这种波动不重要)系统内最大的Mach数小于0.3（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。如果时间步长过大，程序会自动警告（或者在*msg*out文件中显示)在ImplicitSolnControl模块有比较详细的说明。离散长度推荐：进气系统：离散长度＝0.40BORE排气系统：离散长度＝0.55BORE在需要高频分析的时候要把离散长度变短。例如: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。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。限制时间步长的部件可以在GT-POST的TimeStepRestriction中看到，或者在*out文件中看到。Pipe摩擦损失：在Runsetup中的Flowcontrol可以通过定义GlobalFrictionMultiplier(constantterm)增加整个流动系统的摩擦。或者通过定义GlobalFrictionMultiplier(unsteadyterm)研究流体流动脉冲对摩擦损失的影响。层流湍流D:管路直径h:粗糙高度Pipe

压力损失：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Cp来考虑。这里的压力损失系数不考虑壁面的摩擦。如果设置为Def,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,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GT-SUITE也将自动计算。p1、p2为进出口总压V1进口流速Pipe传热对于光滑表面的传热系数采用Colburn公式：对于粗糙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）在Runsetup中的Flowcontrol可以通过定义GlobalheatTransferMultiplier来改变整个系统的传热系数。Pipe传热系数流体温度壁面温度总的散热量壁面温度HeatConductionObject使用‘HeatCComps’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般为5－20W/m^2*K。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部分）热辐射系数通常设置为0.5－0.8。发光物质的热辐射系数更小。Pipe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。在ThermalControl中控制。壁面温度的求解可以进行开关控制，操作同上。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不同的材料。（‘HeatCMaterials’）‘HeatCFlange’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：从进气歧管到缸头）如果两个部件间用‘HeatCFlange’连接，至少有一个部件要激活HeatCComps。Flexible/ElasticPipeGT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。模型考虑：杨氏定律、泊松比和几何形状用PipeFlexibleWall和‘PipeRoundBendFlxWall实现.MultiplePipe主要用于建立催化转化器和换热器内部的管路。只能和flowsplit或者和它有相同数目的芯子的管路连接与flowsplit时，每根内管分配的膨胀直径为一般用def的orifice进行连接。如果与orifice连接的时候，NumberofIdenticalHoles必须设置为1。除非用户想把每个芯子都连接一个orifice。与Pipe类似，这种管路的传热也可以用‘HeatCComps’，但是如果管路时蜂窝状的，在FreeConvection/Matrix中要设置成Matrix，‘ExternalConvectionCoefficient’和‘Emissivity’要设置为ign。但是如果是换热器内部的管路（流动为横流),FreeConvection/Matrix中要设置成off，这时需要设置每跟管路的外部对流换热系数。Short-ConeDiscretization原因：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，必须要考虑到锥管对流动的影响。一维求解方法通过把PL设置为def,设置合适的离散长度，可以对长管（没有流动分离）内流体的流动模拟的比较精确。但是该方法对短管内的流动的分离计算不准确。Short-ConeDiscretization（应该如何翻译？）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：

管路的连接件orifice的参数应设置如下：直径＝def＝d缩流方向的流量系数Cd≈1，扩流方向的流量系数Cd＝1Short-ConeDiscretization当满足一下条件的时候：计算的精度将大大提高。最大的离散长度由下式估算出来：Ceiling是圆整函数。分叉管的定义‘FsplitTRight’‘FsplitSphere’‘FsplitGeneral’‘FsplitAbsorbing’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。‘FsplitTRight’只用定义1、2的管径和长度，3的几何形状是默认的。只定义一个单独的体积，不进行离散。所以长度应该尽可能的跟离散长度相等。当分叉管长度小于端点3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候，因为此时的离散长度很小。‘FsplitSphere’这种连接可以有多种端口。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.通常我们可以把一个端口的方向定义为一个坐标轴，而其他端口的位置可以通过调整其在相对坐标系的位置来确定。‘FsplitGeneral’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。最重要的两个参数是：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。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（如碰壁后的反射、叠加、抵消等等）

‘FsplitGeneral’端口3的膨胀直径为:端口1、2的膨胀直径为：DIAC1和DIAC2特征长度如图DX1、DX2、DX3所示:‘FsplitGeneral’该结构形式的膨胀直径的计算分两种情况：1.当2和3的流动不干涉的时候，端口2、3的膨胀直径应该为DIAC1.2.当2和3的流动干涉（同相）的时候，端口2、3的流动各膨胀到端口1的1/2.此时端口2、3的膨胀直径为：该结构的特征长度的值为图中所示：DX1=DX2=DX3‘FsplitGeneral’‘FsplitAsorbing’主要用于消声器的建模中。与‘FsplitGeneral’很类似，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力损失来获得。（把消声材料放置在管子里并用多孔线网包起来）FlowConnectionOrifice:圆孔/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）Throttle：节气门,同orifice类似Pressurelose：压气损失vs.流动特性（GT-COOL、FUEL)Annularleak:GT-FUEL泵的泄流阀Orificeorificeinletoutletd：orifice直径Din：进口直径Dout：出口直径d<DinorDout说明有节流。如果把d设置为def，则d＝minDin,Dout如果d<Din同时d<Dout,则正反向流量系数设为0.6如果d>>Dout(例如Din/Dout=10)则正向流量系数设置为0.8如果d＝Din＝Dout则流量系数为1。PressureLossConnection

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GT-POWER/FUEL/COOL中一些原件（散热器、缸体、空滤器等）的压力损失。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的稳定性。Throttle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的过程，也可以通过执行器对其进行控制。流量系数定义：有效流通面积/参考流通面积用于计算通过阀体、节流阀、球形阀以及orifice等的流量对于液体：对于气体：其中：当压比满足：流量系数对于orifice，AR通过orifice的直径来计算对于各种阀体，AR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：对于所有的L/D,采用定值。Array中必须从0开始不同的升程，值不同。Array中必须从非0数开始边界条件的设定‘EndEnvironment’：输入压力和温度。‘EndEnvironmentRam’:考虑流速的影响的时候使用‘EndFlowInlet’:输入的是流量而不是压力。

<注>

‘EndFlowInlet’可以输入流速、质量流量或者体积流量。如果流体的流率不是连续的，这时要特别注意，这种情况在液力系统中经常发生，因为此时系统的压力不是特别高就是特别低，从而导致系统内发生空穴，计算很不稳定。使得压