基于AVL-FIRE的CFD分析过程及案例操作

2021年09月01日基于AVL-FIRE的CFD分析过程及案例操作2理论根底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；粘性力比照其他类型的力〔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理论根底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理论根底定常与非定常流动流体流动物理量〔P、T、V〕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根底层流与湍流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。理论根底流动状态〔层流与湍流〕的判断：圆管内流动：Re<2300,那么为层流Re>8000~12000,那么为湍流2300<Re<8000,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6AVL-FIRE简介7AVL-FIRE简介8AVL-FIRE简介9AVL-FIRE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。10AVL-FIRE简介11AVL-FIRE简介12AVL-FIRE简介13AVL-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14AVL-FIRE应用FIRE应用一：进气道15AVL-FIRE应用FIRE应用一：进气道16AVL-FIRE应用FIRE应用一：进气道17AVL-FIRE应用FIRE应用二：冷却水套18AVL-FIRE应用FIRE应用二：冷却水套19AVL-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。20AVL-FIRE应用FIRE应用三：缸内燃烧喷雾21AVL-FIRE应用FIRE应用三：缸内燃烧喷雾22AVL-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，这样就可防止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23AVL-FIRE简介24AVL-FIRE简介FIRE应用四：进排气系统

25AVL-FIRE简介FIRE应用四：进排气系统

26CFD求解过程实际问题

数学模型

数值求解

分析结果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28CAD模型准备模型处理〔封闭流体区域〕定义selections创立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/EAVL-FIRE分析流程CAD模型准备输出的外表模型必须完整、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模型外表STL外表弦高越小，与实际模型越接近分析流程定义selections一个selection是一系列的网格单元，网格外表或点，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：外表网格的特征边缘线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Staticpressure：静压Totalpressure：总压Stagnationpressure：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Normalvelocity：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Massflow：质量流量Gradient=0：Gradient=0-pressure：作为静态压力边界Gradient=0-allvariables：不保证整体的连续，适用于可压缩流动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；假设是瞬态计算，往往进出口都采用压力边界条件，如果计算不易收敛，那么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〕"%ofmeanvelocity"一般填1-10"%ofhydraulicdiameter"一般填5-10这样及下面两项都会由程序自动算出一般来说，TKE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：ExtrapolateandMirrorMirror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：LeastSq.Fit〔最小二乘法〕andGauss〔高斯法〕，Gauss作为"默认"选项Cellfaceadjustment: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〔ArtificialCompressibility)：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SimpleSimple/cSimple/PisoSimples算法是根底算法，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，计算该计算域内的流动49入口出口边界条件进口指定质量流量