1 發動機仿真需求背景
發動機的動力性、經濟性和排放特性與發動機進排氣流通特性、燃油噴霧特性以及空氣和燃油的混合過程等直接相關，在設計發動機時必須考慮這些流體的流動特性和燃燒特性。發動機的性能分析是一個典型的流體力學問題，可以從理論分析、試驗和模擬計算三方面進行研究，分別對應于理論流體力學、實驗流體力學和CFD。
圖1 流體力學問題的求解途徑
CFD給出的是流體運動區域內的離散解非解析解, 從一次數值解中無法看出來流動參數變化引起的變化趨勢，這是與理論分析的一個重要區別。如果數值模擬方法的數學提法是正確的，則可以在較廣泛的流動參數范圍內較快地給出流場的定量結果，而不受實驗條件的限制，這是與實驗研究的一個重要區別。
圖2 CFD求解過程
圖2是CFD的求解過程。它由建模、生成網格、計算求解和后處理等部分組成。其中建模就是根據所研究的流動問題是瞬態還是穩態、有粘還是無粘、可壓還是不可壓、層流還是湍流等確定流動控制方程，并給出流體的物性參數、初始條件和邊界條件。
2 發動機同步CFD解決方案
眾所周知，CFD形式的計算機模擬/虛擬模型技術，極大地降低了產品成本，加快了產品上市時間。然而，傳統CFD方法在使用上復雜、操作不靈活、或操作耗時，然而使用同步 CFD技術，結構設計團隊可以加快設計流程，提高設計效率，減少設計返工，以此提高利潤。與此同時，許多經營者尚未意識到軟件的進步正使得小型和中型企業更易獲取利潤。FloEFD這一同步CFD工具幫助我們無需再雇用或培訓CFD專家，外包分析給咨詢公司，或對多個物理原型進行測試。如今在任何規模的公司，接受過一般培訓的設計工程師都能夠運用其現有的知識成功地進行流體流動和熱分析，從而極大減少了所需原型的數量。
3 同步CFD工具——FloEFD
3.1 簡介
CFD分析軟件的一個新種類“同步CFD”被證明在分析熱、流體和氣體流動狀況方面效率非常高，幫助工程師在沒有CFD專家的情況，在他們的工作臺上就能作出關鍵的設計決定。這種非常直觀的集成在MCAD環境中的流程，幫助設計工程師在多種汽車部件和系統如加熱系統、冷卻系統、油路系統、剎車系統、排氣系統、車身板件等等產品的設計早期優化設計，降低制造成本。
圖3 排氣歧管同步CFD分析
3.2 技術特點
1.完全嵌入CAD環境
傳統CFD軟件的前處理過程，首先是將結構CAD模型導入CFD軟件的前處理系統，然后人為的判斷哪些是流體區域，哪些是實體區域。之后再進行輔助幾何造型，通過布爾操作完成對實體區域的切割、刪除等工作，稍微規模大一點的模型準備工作就將耗去很長的時間。由于CAD結構工程師與CFD分析工程師關注點不同，因此這類布爾操作等幾何造型工作經常失敗，在此情況下，CFD仿真工程師將不得不對模型中大量部分進行重新造型。FloEFD軟件的出現，為CFD分析工程師帶來了巨大的方便，這得益于FloEFD與主流CAD軟件的完全無縫集成，使得FloEFD能夠完全嵌入CAD界面，直接應用CAD模型，自動區分固體區域以及流體區域，自動判定內部流動和外部流動區域。
2.自動化網格生成
網格劃分是傳統CFD軟件分析中人工耗時最多的一個關鍵工作，也是對分析人員專業背景要求很高的工作，網格劃分的質量與分析結果的準確性具有直接的關系，傳統CFD軟件的工程師都需要花費大量的時間去劃分高質量的網格。而這一現狀在FloEFD軟件中將徹底改觀，FloEFD強大的網格自動生成能力將工程師從繁重的網格劃分工作中解放出來，因為FloEFD能夠自動進行固體和流體區域的網格劃分，并且根據幾何模型和求解自適應要求自動細化和粗化網格；同時，FloEFD也完全支持人工網格控制和局部加密。
圖4 完全嵌入CAD環境
圖5 自動化生成網格
3.強大的層流-過渡-湍流模擬能力
FloEFD自動應用于網格無關的修正壁面函數進行層流與湍流的模擬，自動判定層流區、過渡區和湍流區，無需指定流動特征。FloEFD是一款具有10多年歷史的成熟的商業化軟件，并且它具有超過一千個工作年的研發量。它使用了修正的k-ε兩方程湍流模型，這個技術主要是結合先進的浸沒邊界網格精確地仿真大量湍流案例，其中浸沒邊界網格可以采用稀疏網格來精確求解流體流場。
圖6 采用FloEFD基于不同網格預測的圓柱繞流場
a)20個網格 b)40個網格 c)80個網格 d)Driver和Seegmiller（1985）真實的流動形式
4.統一的壁面修正函數
近壁面邊界層的網格劃分一直是傳統CFD軟件中的一項重要內容。FloEFD軟件對壁面的處理有自己獨特的優點。首先，FloEFD應用部分單元（Partial Cell）技術，壁面的處理與網格無關；其次，FloEFD采用了物理上修正的流動與換熱邊界層模擬。
5.自動收斂控制
FloEFD采用Cutting-edge數值方法和多重網格技術。具有穩定的收斂性，求解可靠，并可以做到一次求解成功。
6.多變量設計分析
支持“What-If”分析的項目克隆技術，無需對模型進行任何進一步定義。允許對產品進行變量模擬，可用于產品設計中最優變量的確定。完全支持產品配置（Product Configuration）概念的方案對比優化。整個過程十分方便，創建基礎模型并且進行分析，無需重復應用邊界條件和材料等，只需修改固體模型就可以創建多個設計變量。當分析完成之后，FloEFD會比較不同選擇方案之間的結果，從而選擇出最佳的方案。同時，FloEFD也支持批處理求解。在FloEFD 12中，增加了結果比較工具，可以得到活動視圖定義并且應用到所選擇的仿真項目中。
圖7 FloEFD結果比較工具
7.簡單易用的工程化用戶界面
FloEFD具有易于使用的用戶界面，使用工程化的參數定義語言。可以進行基于特征的建模，并具有動態可視化的后處理功能。軟件自身帶有工程數據庫，可直接調用大量工程材料和模型等數據，包括風扇性能曲線等。FloEFD的使用風格等同于主流CAD軟件，易于學習。
3.3 主要接口
1.Pro/ENGINEER Mechanica和Creo Simulate接口
FloEFD的計算結果可導入到Pro/ENGINEER Mechanica和Creo Simulate中，作為結構分析的加載項。自動接口極大地節省了準備分析模型的時間，并允許用戶計算熱負荷所引起的結構損壞。
圖8 FloEFD的Pro/ENGINEER Mechanica和Creo Simulation接口
2.NASTRAN 接口
-以NASTRAN格式輸出結果（溫度、壓力）
-支持基于任意FEA工具的NASTRAN，從而將流體流動和熱交換包含到結構和熱分析中
圖9 FloEFD的NASTRAN接口
3.CEI EnSight接口
FloEFD可以講結果輸出為Ensight的格式，Ensight用戶無需安裝FloEFD就可以查看FloEFD的計算結果。
圖10 FloEFD的EnSight接口
4 發動機進氣歧管CFD分析案例
問題描述
發動機進排氣系統的氣體流動特性復雜多變，直接影響發動機的充氣效率，對發動機的動力性和經濟性有著重要的影響。進氣歧管是發動機的主要部件，應為發動機各缸提供均勻的新鮮進氣，是影響發動機整體性能的關鍵因素。本案例的目的是：預測進氣歧管內的流動分布和流體通過特定開度閥門的壓力損失，在熟悉的CAD界面內完成方案分析，幫助工程師可更快的進行方案評估。
解決方案
首先了解模型的結構。模型中的重要元件為：上部入口歧管、下部入口歧管以及閥體部分。當前分析的閥門開度為120度，但在后面的多參數優化中可以對其進行修改和多值的定義。
圖11 進氣歧管Pro/Engineer模型
圖12 閥門結構
集成在Pro/Engineer中的FloEFD版本可以在Flow Analysis中完成計算流體力學部分的分析。在這一部分將對模型和求解進行設置，包括：單位系統、分析類型、默認流體和固體、網格設置、初始條件、入口邊界條件、出口邊界條件、目標參數等。所有的設置完成后可以開始計算，在計算過程中FloEFD支持實時觀測計算結果，如13圖所示。
圖13 求解過程中對歧管內部速度的監控
CFD仿真結果
計算結束后，結果自動加載到FloEFD中。首先創建閥門中心線上的速度和壓力云圖結果，如圖14、15所示。同樣也可以轉換視角觀察切面云圖，或顯示流動跡線圖，以三維形式觀察流體流過歧管的路徑并保存動畫，以及顯示模型表面云圖。
圖14 閥門周圍速度云圖分布
圖15 閥門周圍壓力云圖分布
圖16 轉換視角后的速度云圖分布
圖17 流動跡線圖
圖18 近壁面的速度云圖分布
5 發動機冷卻水套CFD分析案例
問題描述
水套是發動機冷卻系統的重要組成部分，它直接影響著發動機的綜合性能，特別是發動機的可靠性和壽命。然而發動機水套結構復雜，想要通過直接測量的方法得到水套內的流場幾乎是不可能的，CFD方法能夠模擬冷卻液在水套內的流動，從而得到水套內完整的流場數據。模擬發動機冷卻套管和缸頭內和周圍的熱行為是耦合流體流動和傳熱分析的經典應用之一。本案例使用FloEFD的Soliworks版本完成了水套的CFD分析。
圖19 發動機冷卻水套Solidworks模型CFD仿真結果
圖20 水套表面壓力云圖分布
圖21 水套內溫度分布及流動跡線分布
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