1、2015年年09月月01日日基于基于AVL-FIREAVL-FIRE的的CFDCFD分析过程及案例操分析过程及案例操作作2理论基础理论基础1流体力学流体力学理想流体与粘性流体理想流体与粘性流体l粘性力粘性力相邻流体层之间的相对运动阻力相邻流体层之间的相对运动阻力l理想流体使用的条件：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；流体粘性小（如空气和水）；相对运动速度小；粘性力对比其他类型的力（如惯性力）可忽略不计粘性力对比其他类型的力（如惯性力）可忽略不计牛顿流体与非牛顿流体牛顿流体与非牛顿流体l牛顿内摩擦定律牛顿内摩擦定律l动力粘度、运动粘度动力粘度、运动粘度l空气、水空气、
2、水/聚合物溶液，牛奶聚合物溶液，牛奶3理论基础理论基础流体热传导与扩散流体热传导与扩散l热传导：温度高热传导：温度高 低低l热扩散：浓度高热扩散：浓度高 低低可压流体与不可压流体可压流体与不可压流体l密度决定是否可压密度决定是否可压l空气为可压流体；水为不可压流体空气为可压流体；水为不可压流体l某些特定条件下的可压流体也可做不可压处理某些特定条件下的可压流体也可做不可压处理4理论基础理论基础定常与非定常流动定常与非定常流动l流体流动物理量（流体流动物理量（P、T、V）是否随时间变化）是否随时间变化l定常流动（稳态流动定常流动（稳态流动/恒定流动）：常数边界条件恒定流动）：常数边界条件l非定常流
3、动（瞬态流动）：非常数边界条件非定常流动（瞬态流动）：非常数边界条件理论基础理论基础层流与湍流层流与湍流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。理论基础理论基础流动状态（层流与湍流）的判断：流动状态（层流与湍流）的判断：l圆管内流动：圆管内流动：Re800012000,则为湍流则为湍流 2300Re8000,为过渡区（按湍流计算）为过渡区（按湍流计算）l非圆管流动：非圆管流动：d为水力半径，为水力半径，d=4A/X；A为流通截面积为流通截面积 X为湿周：流通界面上液体与固体接触长度为湿周：流通界
4、面上液体与固体接触长度 6AVL-FIRE简介简介7AVL-FIRE简介简介8AVL-FIRE简介简介9AVL-FIRE简介简介软件介绍：软件介绍：AVL-FIRE是是AVL公司公司自己开发并一直在应用自己开发并一直在应用,不仅能求解通用流动不仅能求解通用流动问题问题,也能求解最复杂也能求解最复杂的内燃机缸内流动和燃的内燃机缸内流动和燃烧等现象的烧等现象的CFD软件。软件。它在求解瞬态复杂流动它在求解瞬态复杂流动方面的优势使其在求解方面的优势使其在求解普通流动方面更是得心普通流动方面更是得心应手。应手。10AVL-FIRE简介简介AVL-FIRE除了具备当前市面上其它通用除了具备当前市面上其它
5、通用CFD软件所具有的软件所具有的功能外，还有如下几个方面的优势及特点：功能外，还有如下几个方面的优势及特点：1.极其友好的用户界面和一流的网格生成技术极其友好的用户界面和一流的网格生成技术FIRE界面简洁明了界面简洁明了网格生成过程以导航程序引导，有不同程度自动化生成方网格生成过程以导航程序引导，有不同程度自动化生成方法，用户可随心所欲实现各种形式的局部网格细化，还可快法，用户可随心所欲实现各种形式的局部网格细化，还可快速进行移动网格的生成。速进行移动网格的生成。对任意复杂的几何形状，都可自动生成六面体网格占对任意复杂的几何形状，都可自动生成六面体网格占80以上的混合网格以上的混合网格11A
6、VL-FIRE简介简介2.先进的算法先进的算法+物理模型物理模型+应用经验应用经验 采用最先进的以网格面为基准的适用于任意形状多面体网采用最先进的以网格面为基准的适用于任意形状多面体网格的求解技术，是当前格的求解技术，是当前CFD软件中第一个采用这种技术的软件中第一个采用这种技术的FIRE所提供的湍流模型中除通用的模型外，还有所提供的湍流模型中除通用的模型外，还有AVL提出提出的复合湍流模型的复合湍流模型结合了模型的快速稳定性及结合了模型的快速稳定性及RSM模型模型的高精度。的高精度。FIRE多相流模型在同类软件中具有最高水平。多相流模型在同类软件中具有最高水平。FIRE软件所带有的多个喷雾、
7、燃烧模型适用范围之广，被软件所带有的多个喷雾、燃烧模型适用范围之广，被认证的算例之多在同行是受到公认的。认证的算例之多在同行是受到公认的。结合先进的多相流技术，结合先进的多相流技术，FIRE不断推出新的更准确的喷雾不断推出新的更准确的喷雾模拟技术，如将喷嘴内多相流计算与缸内喷射模拟结合起来模拟技术，如将喷嘴内多相流计算与缸内喷射模拟结合起来12AVL-FIRE简介简介3.手段高超的结果处理器手段高超的结果处理器 FIRE的后处理功能完备，简单易用。除常有的工具外，还的后处理功能完备，简单易用。除常有的工具外，还有有“电影导演电影导演”，能直接在界面上以电影形式演示三维瞬态能直接在界面上以电影形
8、式演示三维瞬态分析结果，然后可存成通用分析结果，然后可存成通用movie文件格式，这是其它软文件格式，这是其它软件所没有的。件所没有的。4.数据接口及并行计算数据接口及并行计算 可以与通用可以与通用CAD软件，其他网格生成器，求解器，后处理软件，其他网格生成器，求解器，后处理器都有相应的接口。并行计算能力适用于器都有相应的接口。并行计算能力适用于SMP(共享内存多共享内存多处理器处理器)系统，对系统，对DMP(分散内存多处理器系统分散内存多处理器系统)采用采用MPI技技术进行并行计算。术进行并行计算。13AVL-FIRE简介简介应用实例：应用实例：l进气道进气道l冷却水套冷却水套l缸内燃烧缸内
9、燃烧l进排气系统进排气系统l尾气净化装置尾气净化装置lCFD/FEM耦合计算耦合计算14AVL-FIRE应用应用FIRE应用一：进气道应用一：进气道15AVL-FIRE应用应用FIRE应用一：进气道应用一：进气道16AVL-FIRE应用应用FIRE应用一：进气道应用一：进气道17AVL-FIRE应用应用FIRE应用二：冷却水套应用二：冷却水套18AVL-FIRE应用应用FIRE应用二：冷却水套应用二：冷却水套19AVL-FIRE应用应用l冷却水套冷却水套 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：套的优化分析包括：如何
10、分区生成网格以便于调整气缸垫孔径大小，快速实现流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；量分布的优化；近壁网格层数的选取；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；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，以修能，这类模拟分析有助于预测水
11、套中残存气泡的部位，以修改结构排除局部过热的隐患。改结构排除局部过热的隐患。20AVL-FIRE应用应用FIRE应用三：缸内燃烧喷雾应用三：缸内燃烧喷雾21AVL-FIRE应用应用FIRE应用三：缸内燃烧喷雾应用三：缸内燃烧喷雾22AVL-FIRE应用应用l柴油机缸内喷雾燃烧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，这样就可避免在计算模型中包含进气道进气门关闭开始，这样就可避免在计算模型中包含进气道及气门
12、运动，大大简化计算模型并缩短计算时间。及气门运动，大大简化计算模型并缩短计算时间。近两年来新增的近两年来新增的ESE-Diesel-参数化的燃烧室高压循环分析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，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
13、参数重新计算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。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简介简介FIRE应用四：进排气系统应用四：进排气系统 由于采用先进的网格生成由于采用先进的网格生成技术，静态进气系统的建技术，静态进气系统的建模过程可在一小时内完成。模过程可在一小时内完成。排气管内除一般的流动传排气管内除一般的流动传热分析外，热分析外，FIRE还有专门还有专门的尾气后处理模块对三元的尾气后处理模块对三元催化转化器内的流动，传催化转化器内的流动，传热及排放物的转化进行模热及
14、排放物的转化进行模拟计算。国内也有拟计算。国内也有FIRE用用户成功进行催化器户成功进行催化器CFD模模拟和试验研究拟和试验研究。24AVL-FIRE简介简介FIRE应用四：进排气系统应用四：进排气系统 25AVL-FIRE简介简介FIRE应用四：进排气系统应用四：进排气系统 26CFD求解过程求解过程实际问题实际问题 数学模型数学模型 数值求解数值求解 分析结果分析结果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分析流程28CAD模型准备模型处理（封闭流体区域）定义selections创
15、建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分析流程分析流程CAD模型准备模型准备l输出的表面模型必须输出的表面模型必须完整、连续完整、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模型表面STL表面弦高越小，与实际模型越接近分析流程分析流程定义定义selections 一个一个 selection 是一系列的网格单元，网格表面或点，通过是一系列的网格单元，网格表面或点，通过它可以对局部区域进行特殊定义和处理它可以对局部区域进行特殊定义和处理30分析流程分析流程线网格：表面网格的特线网格：
16、表面网格的特征边缘线征边缘线31分析流程分析流程划分面网格划分面网格体网格体网格32设定整体网格最最大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减小尺寸分析流程分析流程网格质量网格质量33分析流程分析流程网格质量网格质量34分析流程分析流程网格质量网格质量35分析流程分析流程网格质量网格质量36分析流程分析流程网格质量网格质量37边界条件边界条件边界条件边界条件 所谓边界条件，是指所谓边界条件，是指在求解域的边界上所求在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规随地点及时间变化的规律，只有给定了
17、合理的律，只有给定了合理的边界条件，才能计算得边界条件，才能计算得出流场的解。出流场的解。FIRE中边界条件分类中边界条件分类38边界条件边界条件进进/出口边界出口边界对称边界对称边界壁面边界壁面边界边界条件边界条件进进/出口边界出口边界lStatic pressure：静压：静压 lTotal pressure：总压：总压lStagnation pressure：用于亚音速和超音速流动问题，：用于亚音速和超音速流动问题，需输入动压和马赫数需输入动压和马赫数总压总压=静压静压+动压动压lNormal velocity：法向速度：法向速度lVelocity：速度（：速度（x/y/z任一方向速度）
18、任一方向速度）39边界条件边界条件进进/出口边界出口边界lMass flow：质量流量：质量流量lGradient=0：lGradient=0-pressure：作为静态压力边界：作为静态压力边界lGradient=0-all variables：不保证整体的连续，适用于：不保证整体的连续，适用于可压缩流动可压缩流动40边界条件边界条件1）对于风道稳态计算，一般进口用流量，出口用静压或梯）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；若是瞬态计算，往往进出口都采用压力边界条件，度为零；若是瞬态计算，往往进出口都采用压力边界条件，如果计算不易收敛，则建议进出口都采用流量（出口流量的如果
19、计算不易收敛，则建议进出口都采用流量（出口流量的值要改变符号）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）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。为零。建议是有实测的静压值，这样有助于加快计算收敛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：）入口处湍流值的给定：一般一般turb.ref.velocity处填入进口平均速度（可根据流处填入进口平均速度（可根据流量估算）量估算）%of mean velocity一般填一般填1-10%of hydraulic diameter一般填一般填5-10 这样这样Turb.kin.energy及下
20、面两项都会由程序自动算出及下面两项都会由程序自动算出 一般来说，一般来说，TKE的值大一些对计算收敛有帮助的值大一些对计算收敛有帮助41初始条件初始条件流体物性可预设为常量流体物性可预设为常量(空气空气,流体或新物性流体或新物性),也可用公式定义；所有也可用公式定义；所有变量在全场的初始化可变量在全场的初始化可通过均匀初始化和势流通过均匀初始化和势流场初始化来实现；对于场初始化来实现；对于瞬态计算，初始条件必瞬态计算，初始条件必须准确给定，因为后续须准确给定，因为后续时间步的结果直接受其时间步的结果直接受其影响。影响。42离散离散计算边界值：计算边界值：Extrapolate and Mirr
21、orlMirror 对于边界网格质量不好的情况更为适用，可作为对于边界网格质量不好的情况更为适用，可作为默认默认选项选项计算导数的方法：计算导数的方法：Least Sq.Fit（最小二乘法）（最小二乘法）and Gauss（高斯法），（高斯法），Gauss 作为作为默认默认选项选项Cell face adjustment:限制扩散项，影响能量守衡；但对限制扩散项，影响能量守衡；但对质量不好的网格计算有帮助质量不好的网格计算有帮助 人工可压缩性（人工可压缩性（Artificial Compressibility)：实现了每个单：实现了每个单元采用不同的时间步长元采用不同的时间步长，这样松弛因子可
22、以加大，这样松弛因子可以加大，减少计，减少计算时间算时间43算法算法SimpleSimple/cSimple/PisolSimples算法是基础算算法是基础算法，法，piso算法能减少算法能减少30%-50%的计算时间的计算时间SIMPLEC 对于一些压对于一些压力力-速度耦合起的作用速度耦合起的作用较大的应用会得到更好较大的应用会得到更好的结果的结果.而在一些有其而在一些有其他源项的情况下他源项的情况下,如较如较强的湍流强的湍流,喷雾喷雾,燃烧时燃烧时SIMPLE 法算得会更好法算得会更好44控制方程控制方程S-A单方程模型：一般用于高马赫数流动单方程模型：一般用于高马赫数流动涡粘性涡粘性/
23、耗散模型（耗散模型（k-e）：双方程模型，复杂流动的模拟不）：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：四方程模型，精度和稳定性都较好，推荐使用，计算时间仅比算时间仅比k-e模型多模型多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，计算稳定性较差稳定性较差AVL复合湍流模型复合湍流模型（HTM)
24、结合：结合k-e模型与模型与RSM模型的优模型的优点点45控制方程控制方程46壁面处理壁面处理 壁壁面面的的层层流流区区对对于于各各种种湍湍流流方方程程不不适适用用，与与之之对应的解决方法有两种对应的解决方法有两种1.壁面函数法壁面函数法2.低低RE数法数法47收敛标准收敛标准48最大迭代次数最大迭代次数残差满足收敛残差满足收敛收敛？收敛？物理判断物理判断收敛收敛案例操作案例操作案例描述：常温流体案例描述：常温流体（空气）以指定的质量（空气）以指定的质量流量从进口面，进入计流量从进口面，进入计算域，从出口面流出，算域，从出口面流出，计算该计算域内的流动计算该计算域内的流动49入口出口边界条件
25、边界条件进口进口l指定质量流量：指定质量流量：m=0.0381kg/sl指定温度：指定温度：T=293Kl指定湍流条件：湍动能指定湍流条件：湍动能+湍流长度尺寸湍流长度尺寸出口：静压：出口：静压：P=1bar50导入导入STL51创建创建Selections52生成特征线生成特征线53划分体网格划分体网格用用Hybrid Assistant 划分混合六面体网格划分混合六面体网格54求解器设置求解器设置55边界条件边界条件初始条件初始条件流体属性流体属性控制方程控制方程收敛标准收敛标准计算监控计算监控56结果分析结果分析+后处理后处理57速度切片图速度切片图结果分析结果分析+后处理后处理58总压切片图总压切片图
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