汽车发动机同步CFD解决方案

1、发动机仿真需求背景

发动机的动力性、经济性和排放特性与发动机进排气流通特性、燃油喷雾特性以及空气和燃油的混合过程等直接相关，在设计发动机时必须考虑这些流体的流动特性和燃烧特性。发动机的性能分析是一个典型的流体力学问题, 可以从理论分析、试验和模拟计算三方面进行研究, 分别对应于理论流体力学、实验流体力学和CFD。

图1 流体力学问题的求解途径

CFD 给出的是流体运动区域内的离散解非解析解，从一次数值解中无法看出来流动参数变化引起的变化趋势, 这是与理论分析的一个重要区别。如果数值模拟方法的数学提法是正确的, 则可以在较广泛的流动参数范围内较快地给出流场的定量结果, 而不受实验条件的限制, 这是与实验研究的一个重要区别。

图2 CFD求解过程

图2是CFD 的求解过程。它由建模、生成网格、计算求解和后处理等部分组成。其中建模就是根据所研究的流动问题是瞬态还是稳态、有粘还是无粘、可压还是不可压、层流还是湍流等确定流动控制方程, 并给出流体的物性参数、初始条件和边界条件。

2、发动机同步CFD解决方案

众所周知，CFD形式的计算机模拟/虚拟模型技术，极大地降低了产品成本，加快了产品上市时间。然而，传统CFD 方法在使用上复杂、操作不灵活、或操作耗时，然而使用同步 CFD 技术，结构设计团队可以加快设计流程，提高设计效率，减少设计返工，以此提高利润。与此同时，许多经营者尚未意识到软件的进步正使得小型和中型企业更易获取利润。FloEFD这一同步CFD工具帮助我们无需再雇用或培训 CFD 专家，外包分析给咨询公司，或对多个物理原型进行测试。如今在任何规模的公司，接受过一般培训的设计工程师都能够运用其现有的知识成功地进行流体流动和热分析，从而极大减少了所需原型的数量。

CFD分析软件的一个新种类“同步 CFD”被证明在分析热、流体和气体流动状况方面效率非常高，帮助工程师在没有 CFD 专家的情况，在他们的工作台上就能作出关键的设计决定。这种非常直观的集成在MCAD 环境中的流程，帮助设计工程师在多种汽车部件和系统如加热系统、冷却系统、油路系统、刹车系统、排气系统、车身板件等等产品的设计早期优化设计，降低制造成本。

图3 排气歧管同步CFD分析

完全嵌入CAD环境

传统CFD软件的前处理过程，首先是将结构CAD模型导入CFD软件的前处理系统，然后人为的判断哪些是流体区域，哪些是实体区域。之后再进行辅助几何造型，通过布尔操作完成对实体区域的切割、删除等工作，稍微规模大一点的模型准备工作就将耗去很长的时间。由于CAD结构工程师与CFD分析工程师关注点不同，因此这类布尔操作等几何造型工作经常失败，在此情况下，CFD仿真工程师将不得不对模型中大量部分进行重新造型。FloEFD软件的出现，为CFD分析工程师带来了巨大的方便，这得益于FloEFD与主流CAD软件的完全无缝集成，使得FloEFD能够完全嵌入CAD界面，直接应用CAD模型，自动区分固体区域以及流体区域，自动判定内部流动和外部流动区域。

自动化网格生成

网格划分是传统CFD软件分析中人工耗时最多的一个关键工作，也是对分析人员专业背景要求很高的工作，网格划分的质量与分析结果的准确性具有直接的关系，传统CFD软件的工程师都需要花费大量的时间去划分高质量的网格。而这一现状在FloEFD软件中将彻底改观，FloEFD强大的网格自动生成能力将工程师从繁重的网格划分工作中解放出来，因为FloEFD能够自动进行固体和流体区域的网格划分，并且根据几何模型和求解自适应要求自动细化和粗化网格；同时，FloEFD也完全支持人工网格控制和局部加密。

图4 完全嵌入CAD环境

图5 自动化生成网格

强大的层流-过渡-湍流模拟能力

FloEFD自动应用于网格无关的修正壁面函数进行层流与湍流的模拟，自动判定层流区、过渡区和湍流区，无需指定流动特征。FloEFD 是一款具有10多年历史的成熟的商业化软件，并且它具有超过一千个工作年的研发量。它使用了修正的 k-ε两方程湍流模型，这个技术主要是结合先进的浸没边界网格精确地仿真大量湍流案例，其中浸没边界网格可以采用稀疏网格来精确求解流体流场。

图6 采用FloEFD基于不同网格预测的圆柱绕流场

a) 20个网格 b) 40个网格 c) 80个网格 d) Driver和Seegmiller（1985）真实的流动形式

统一的壁面修正函数

近壁面边界层的网格划分一直是传统CFD软件中的一项重要内容。FloEFD软件对壁面的处理有自己独特的优点。首先，FloEFD应用部分单元（Partial Cell）技术，壁面的处理与网格无关；其次，FloEFD采用了物理上修正的流动与换热边界层模拟。

自动收敛控制

FloEFD采用Cutting-edge数值方法和多重网格技术。具有稳定的收敛性，求解可靠，并可以做到一次求解成功。

多变量设计分析

支持“What-If”分析的项目克隆技术，无需对模型进行任何进一步定义。允许对产品进行变量模拟，可用于产品设计中最优变量的确定。完全支持产品配置（Product Configuration）概念的方案对比优化。整个过程十分方便，创建基础模型并且进行分析，无需重复应用边界条件和材料等，只需修改固体模型就可以创建多个设计变量。当分析完成之后，FloEFD会比较不同选择方案之间的结果，从而选择出最佳的方案。同时，FloEFD也支持批处理求解。在FloEFD 12中，增加了结果比较工具，可以得到活动视图定义并且应用到所选择的仿真项目中。

图7 FloEFD结果比较工具

简单易用的工程化用户界面

FloEFD具有易于使用的用户界面，使用工程化的参数定义语言。可以进行基于特征的建模，并具有动态可视化的后处理功能。软件自身带有工程数据库，可直接调用大量工程材料和模型等数据，包括风扇性能曲线等。FloEFD的使用风格等同于主流CAD软件，易于学习。

拥有众多接口

Pro/ENGINEER Mechanica 和 Creo Simulate 接口。FloEFD 的计算结果可导入到Pro/ENGINEER Mechanica和Creo Simulate中，作为结构分析的加载项。自动接口极大地节省了准备分析模型的时间，并允许用户计算热负荷所引起的结构损坏。

图8 FloEFD 的Pro/ENGINEER Mechanica和Creo Simulation接口

NASTRAN 接口

-以NASTRAN格式输出结果（温度、压力）

-支持基于任意FEA工具的NASTRAN，从而将流体流动和热交换包含到结构和热分析中。

图9 FloEFD 的NASTRAN接口

CEI EnSight 接口

FloEFD可以讲结果输出为Ensight的格式，Ensight用户无需安装FloEFD就可以查看FloEFD的计算结果。

图10 FloEFD 的EnSight接口

3、发动机进气歧管CFD分析案例

1、问题描述

发动机进排气系统的气体流动特性复杂多变，直接影响发动机的充气效率，对发动机的动力性和经济性有着重要的影响。进气歧管是发动机的主要部件，应为发动机各缸提供均匀的新鲜进气，是影响发动机整体性能的关键因素。本案例的目的是：预测进气歧管内的流动分布和流体通过特定开度阀门的压力损失，在熟悉的CAD界面内完成方案分析，帮助工程师可更快的进行方案评估。

2、解决方案

首先了解模型的结构。模型中的重要元件为：上部入口歧管、下部入口歧管以及阀体部分。当前分析的阀门开度为120度，但在后面的多参数优化中可以对其进行修改和多值的定义。

图11 进气歧管Pro/Engineer模型

图12 阀门结构

集成在Pro/Engineer中的FloEFD版本可以在Flow Analysis中完成计算流体力学部分的分析。在这一部分将对模型和求解进行设置，包括：单位系统、分析类型、默认流体和固体、网格设置、初始条件、入口边界条件、出口边界条件、目标参数等。所有的设置完成后可以开始计算，在计算过程中FloEFD支持实时观测计算结果，如13图所示。

图13 求解过程中对歧管内部速度的监控

3、CFD仿真结果

计算结束后，结果自动加载到FloEFD中。首先创建阀门中心线上的速度和压力云图结果，如图14、15所示。同样也可以转换视角观察切面云图，或显示流动迹线图，以三维形式观察流体流过歧管的路径并保存动画，以及显示模型表面云图。

图14 阀门周围速度云图分布

图15 阀门周围压力云图分布

图16 转换视角后的速度云图分布

图17 流动迹线图

图18 近壁面的速度云图分布

4、发动机冷却水套CFD分析案例

1、问题描述

水套是发动机冷却系统的重要组成部分, 它直接影响着发动机的综合性能, 特别是发动机的可靠性和寿命。然而发动机水套结构复杂, 想要通过直接测量的方法得到水套内的流场几乎是不可能的，CFD方法能够模拟冷却液在水套内的流动, 从而得到水套内完整的流场数据。模拟发动机冷却套管和缸头内和周围的热行为是耦合流体流动和传热分析的经典应用之一。本案例使用FloEFD的Soliworks版本完成了水套的CFD分析。

图19 发动机冷却水套Solidworks模型

2、CFD仿真结果

图20 水套表面压力云图分布

图21 水套内温度分布及流动迹线分布