利用STAR-CCM+ 工具改進(jìn)柴油機(jī)設(shè)計(jì)

下一代高效柴油機(jī)的設(shè)計(jì)高度依賴于快速、強(qiáng)大和可靠的預(yù)測(cè)。為此，福特土耳其公司組建了傳動(dòng)系 CAD/CAE 團(tuán)隊(duì)。該公司利用 STAR-CCM+工具分析發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)馀c各個(gè)關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)組件之間的熱交換。
       仿真驅(qū)動(dòng)開發(fā)和設(shè)計(jì)的使用對(duì)新推出的重型發(fā)動(dòng)機(jī)Ecotorq 13 L/9 L（有EU3、EU5和EU6三個(gè)型號(hào)）是否能夠取得成功起著關(guān)鍵作用。在更加成熟的設(shè)計(jì)出爐之前，設(shè)計(jì)階段就需要花費(fèi)高昂的代價(jià)和大量的時(shí)間制造測(cè)試車的原型。因此，這就需要在設(shè)計(jì)過程中盡早使用仿真工具。
       現(xiàn)代柴油機(jī)不僅組裝復(fù)雜，而且封裝也受到諸多限制，此外，由于渦輪增壓導(dǎo)致溫度升高，會(huì)出現(xiàn)溫度分布極其不均的現(xiàn)象，而這一現(xiàn)象很難預(yù)測(cè)。因此，我們迫切需要提高仿真精度，同時(shí)，多組件、多物理場(chǎng)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）仿真亦日漸成為現(xiàn)代柴油機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求。為此，福特土耳其公司針對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)組件（發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管和活塞頭）進(jìn)行了以下工作，以了解如何通過采用聯(lián)合仿真部署數(shù)字孿生模型來幫助他們實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。正如傳動(dòng)系CAD/CAE 團(tuán)隊(duì)總監(jiān)Sinan Eroglu所說的那樣：“STAR-CCM+ 聯(lián)合仿真可耦合多個(gè)具有從微秒到數(shù)千秒等不同時(shí)間尺度的多物理場(chǎng)仿真，提供更快速、更準(zhǔn)確的分析，可縮短復(fù)雜設(shè)計(jì)的開發(fā)與評(píng)估周期。”

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管仿真
      發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的功能在于將發(fā)動(dòng)機(jī)本體和尾氣處理系統(tǒng)連起來，允許燃燒后的缸內(nèi)氣體流經(jīng)歧管。排氣歧管的設(shè)計(jì)和制造旨在提供具有低背壓的順暢氣流，同時(shí)還可耐受極端溫度。 Sinan Eroglu表示：“目標(biāo)在于得出一種耐用歧管設(shè)計(jì)，因此建立一個(gè)準(zhǔn)確的預(yù)熱時(shí)間模型至關(guān)重要。這是一個(gè)典型的多物理場(chǎng)問題，即流體域與固體域之間發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，因此必須耦合其中的每一種求解器。主要的挑戰(zhàn)在于歧管內(nèi)脈動(dòng)流的行為性質(zhì)，因此需要進(jìn)行瞬態(tài)分析。這種流動(dòng)的時(shí)間步長(zhǎng)大約為10?ms，但由于預(yù)熱期為10?min，顯然這種方法不可行，因此我們轉(zhuǎn)而尋求其他聯(lián)合仿真方法。” 對(duì)于排氣歧管而言，我們?cè)u(píng)估了三種方法，如圖 1 所示。以下分別進(jìn)行分析。

圖1 三種耦合策略（由左及右分別是順序耦合、聯(lián)合仿真和共軛換熱）

順序耦合法

圖2 STAR-CCM+ 和Abaqus 中的流體與固體模型

      第1種方法，即按順序?qū)TAR-CCM+中的有限體積求解器耦合到 Abaqus 中的有限元求解器中，通過在流體域和固體域交界面邊界交換兩個(gè)代碼之間的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)，這樣就可對(duì)歧管進(jìn)行更加全面的結(jié)構(gòu)和熱應(yīng)力分析，兩個(gè)模型如圖2所示。數(shù)據(jù)交換由內(nèi)部開發(fā)的Java腳本處理，以便自動(dòng)進(jìn)行整個(gè)過程。每一輪CFD仿真都在額定功率條件下運(yùn)行3個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)（2160°曲軸轉(zhuǎn)角），其中進(jìn)氣口和出氣口的邊界條件源自一維發(fā)動(dòng)機(jī)性能數(shù)值分析軟件。在第3次CFD發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)結(jié)束時(shí)，熱負(fù)荷數(shù)據(jù)（傳熱系數(shù)和參考溫度）進(jìn)行時(shí)均處理，并映射到有限元模型中，然后運(yùn)行模型600?s。之后，數(shù)據(jù)反饋到CFD模型中，更新交界面邊界的熱分布，然后繼續(xù)仿真流程。由于流體模型和固體模型之間的數(shù)據(jù)交換，主要關(guān)注點(diǎn)就在于溫度場(chǎng)的收斂性，或者是“單獨(dú)”的流體模型和固體模型在哪個(gè)點(diǎn)保持最新，同時(shí)，能量守恒貫穿于整個(gè)系統(tǒng)，尤其是在第3次數(shù)據(jù)交換之后，如圖3所示。

圖3 STAR-CCM+ 至Abaqus 熱數(shù)據(jù)交換融合

聯(lián)合仿真法
      在不需要進(jìn)行全面熱應(yīng)力分析的情況下，可使用STAR-CCM+至STAR-CCM+聯(lián)合仿真：在這里，可對(duì)流體模型和固體模型使用有限體積法來預(yù)測(cè)熱分布。
       這樣就可僅在STAR-CCM+軟件內(nèi)處理數(shù)據(jù)傳輸，從而在運(yùn)行仿真時(shí)可進(jìn)行更加直接的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要像STAR-CCM+至Abaqus方法那樣在整個(gè)循環(huán)結(jié)束后傳輸平均熱負(fù)荷數(shù)據(jù)。這種情況下，每5個(gè)“流體”時(shí)間步長(zhǎng)傳遞1次數(shù)據(jù)。
        流體模型和固體模型采用了不同的時(shí)間步長(zhǎng)，分別為10 ms和0.112 5 s。為了確保融合成功，流體模型和固體模型之間進(jìn)行了5 333次數(shù)據(jù)交換。
共軛換熱法
        共軛換熱（CHT）仿真法是最直接的方法，其中流體模型和固體模型同時(shí)在單個(gè)STAR-CCM+仿真中進(jìn)行求解，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)映射。這種情況下，流體域首先開始解析，因此可解得歧管內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。對(duì)整個(gè)模型應(yīng)用10 ms的時(shí)間步長(zhǎng)將導(dǎo)致固體模型運(yùn)行次數(shù)過多，因?yàn)檫@不需要如此高的時(shí)域保真度。正因?yàn)槿绱?，CHT方法有著110 s的時(shí)間限制。

方法比較

圖4 110 s 時(shí)間限制條件下的溫度結(jié)果

3種方法在110 s時(shí)間限制內(nèi)的比較結(jié)果如圖 4 所示。在頸部區(qū)，與CHT法（方法3）相比，順序耦合法（方法1）和聯(lián)合仿真法（方法2）的溫度預(yù)測(cè)過高。歧管隨機(jī)點(diǎn)上的溫度時(shí)間歷程曲線如圖5所示，即在頸部附近區(qū)域，方法2和方法3之間的溫度差值為20～25℃，這表明方法2對(duì)溫度的預(yù)測(cè)過高。然而，這兩者的預(yù)熱速度非常相符。

圖5 聯(lián)合仿真法與共軛傳熱法的預(yù)熱時(shí)間比較

圖6 600 s 條件下的熱感攝像機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)果

       對(duì)比圖6所示的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)功機(jī)測(cè)試的物理測(cè)試數(shù)據(jù)后，我們發(fā)現(xiàn)，熱成像數(shù)據(jù)結(jié)果表明方法2的溫度最壞情況下高于預(yù)測(cè)4%，而平均高于預(yù)測(cè)1.7%。然而，對(duì)比方法2的熱數(shù)據(jù)結(jié)果與物理數(shù)據(jù)后，我們發(fā)現(xiàn)，最壞情況下低于預(yù)測(cè)9.2%，平均低于預(yù)測(cè)7.3%。這表明，盡管略微保守，僅在STAR-CCM+中的熱分析耦合法得出的數(shù)據(jù)與物理測(cè)試數(shù)據(jù)總體上相符。
        活塞冷卻仿真

圖 7 活塞冷卻噴嘴示意

        由于STAR-CCM+內(nèi)聯(lián)合仿真法與固體熱分析大體相符，因此使用此方法來分析對(duì)活塞正下方噴油孔的影響，以便冷卻活塞。如圖7所示，機(jī)油冷卻噴嘴位于插入活塞冷卻油道的活塞頭正下方，噴嘴非常接近有燃燒熱負(fù)荷的活塞頂關(guān)鍵熱源處。冷卻油道的通道形狀可延長(zhǎng)機(jī)油的停留時(shí)間，從而有助于熱傳遞。正如技術(shù)專家 Serdar Güryuva所說：“由于高壓噴油和更高的渦輪增壓壓力提高了柴油機(jī)的具體額定功率，活塞的耐熱能力越來越重要。諸如潤(rùn)滑油品質(zhì)下降等因素令人擔(dān)憂，例如焦化、熱裂解、積炭、活塞環(huán)卡住以及微件焊接等問題。潤(rùn)滑油可用作活塞限制溫度的二次冷媒，通過油道內(nèi)的雞尾震蕩效應(yīng)（CSE）來實(shí)現(xiàn)冷卻，因?yàn)闄C(jī)油滲透其中，從局部冷卻活塞頭。”
        對(duì)活塞模型進(jìn)行STAR-CCM+聯(lián)合仿真，其中根據(jù)活塞速度輸入數(shù)據(jù)和恒溫油性質(zhì)向活塞施加適當(dāng)?shù)幕钊\(yùn)動(dòng)。利用靜態(tài)活塞頭運(yùn)行另外一個(gè)模型，向進(jìn)油冷卻管施加相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此無需網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)。僅考慮內(nèi)襯、機(jī)油冷卻噴嘴和活塞頭，曲軸和連桿可忽略不計(jì)。每?jī)蓚€(gè)活塞循環(huán)發(fā)生一次固體至流體模型數(shù)據(jù)交換，其中在最后一個(gè)全循環(huán)中，流體模型的平均對(duì)流熱傳輸數(shù)據(jù)映射到固體模型中。在多個(gè)傳感器位置對(duì) STAR-CCM+ 聯(lián)合仿真的熱數(shù)據(jù)結(jié)果與物理測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

圖8 流體側(cè)的熱傳遞系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化溫度（左圖和中圖）以及活塞固體表面的標(biāo)準(zhǔn)化溫度（右圖）

        施加了適當(dāng)運(yùn)動(dòng)的活塞數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示。圖中顯示了流體至固體交界面的熱傳遞系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化溫度（也稱為曲軸箱溫度，T0=T/Tcrank）以及活塞頭外表面的溫度。這表明傳熱效率高，即噴油嘴最初影響到右側(cè)的油道，這與油道內(nèi)的最冷溫度相符；T0=1.25。隨著機(jī)油在油道中來回流動(dòng)，熱傳遞減少，溫度再次回升。對(duì)于完整的固體活塞模型，最高溫度出現(xiàn)在活塞碗的內(nèi)邊緣，因?yàn)檫@里有缸內(nèi)燃燒熱負(fù)荷。然而，很明顯T0=1.5的白色輪廓與油道一致。兩種類型活塞運(yùn)動(dòng)（完全運(yùn)動(dòng)和以噴油孔相對(duì)速度的靜態(tài)運(yùn)動(dòng)）的物理測(cè)試結(jié)果相關(guān)性如圖9所示。這些結(jié)果表明，物理測(cè)試數(shù)據(jù)與STAR-CCM+聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)十分相符。

圖9 CFD 與物理測(cè)試之間的溫度探測(cè)點(diǎn)比較

結(jié)論
      隨著發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)熱管理的要求越來越高，顯而易見，可在STAR-CCM+工具中快速、準(zhǔn)確地對(duì)多個(gè)固體和流體域進(jìn)行仿真。尤其當(dāng)我們面對(duì)熱量分布極其不均以及存在熱傳導(dǎo)效率的問題時(shí)，例如福特土耳其公司的排氣歧管和活塞頭冷卻仿真。在總結(jié)這些仿真結(jié)果時(shí)，Sinan Eroglu表示：“在10?min排氣歧管預(yù)熱的情況下，STAR-CCM+至STAR-CCM+聯(lián)合仿真相較于外部耦合法運(yùn)行時(shí)間稍長(zhǎng)，但結(jié)果更加準(zhǔn)確。”由于噴油嘴冷卻結(jié)果的相符性，Serdar Güryuva已經(jīng)將目標(biāo)設(shè)定在更大的模型上，他表示：“由于活塞壁溫度影響對(duì)流熱負(fù)荷，有必要為完整的活塞頭和子系統(tǒng)運(yùn)行一次CHT分析。”
這對(duì)未來的柴油機(jī)設(shè)計(jì)有何影響？Sinan Eroglu說道：“鑒于越來越嚴(yán)苛的排放法規(guī)，未來的柴油機(jī)設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注效率，因此需要開發(fā)可耐受更大熱負(fù)荷以及結(jié)構(gòu)負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)。STAR-CCM+可準(zhǔn)確評(píng)估多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)的性能，還可確定受復(fù)雜多物理場(chǎng)影響之組件和系統(tǒng)的負(fù)荷和形狀。”因此，通過在STAR-CCM+中使用聯(lián)合仿真，福特土耳其公司能夠更快地實(shí)現(xiàn)更優(yōu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。