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发动机及排气系统


传统的发动机及动力总成设计过程,基于宏观概念的经验外推、在台架上反复调试对比,以及各种“集总”参数的半经验分析、试凑等方法,花费大、周期长、适用性小。而应用CFD技术对发动机的工作过程进行数值模拟分析,不仅提供的信息量大,而且花费小、周期短、适用性强,能够在短时间内进行广泛的变参数研究,为开发新型发动机和旧发动机性能提升提供指导。
  

目前,ANSYS CFD在这个领域的应用主要集中在气缸盖气道设计、进排气系统设计、气缸内工作过程模拟、冷却与润滑系统设计、消音器设计等方面。



进气阀截面上的速度矢量分布图



左:缸内燃油喷射过程模拟;   右:缸内喷油涡流



排气中的碳氢和氮氧化物浓度分布图



发动机


作为汽车的“心脏”,发动机是一个复杂的综合体,其仿真问题涉及到结构力学、热、流体力学、电磁以及多物理场等多个领域。发动机相关流体特性的仿真分析,能对其性能的优化起到至关重要的作用。


某公司缸内直喷汽油机的喷油特性与燃烧性能分析


在多年发动机仿真分析工程经验的基础上,ANSYS开发了完整的适用于汽车发动机缸内流动及喷油、燃烧性能计算的标准仿真模板,在ANSYS Workbench平台下,能够快速自动化的完成仿真流程。
  

某公司利用ANSYS CFD工具分析了缸内直喷汽油机两段喷油特性及燃烧性能,计算结果与实测值一致。


发动机几何:




二次喷油过程:



左:第一次喷射(吸气冲程);   右:油滴蒸发(压缩冲程)



左:二次喷射(压缩冲程);  右:二次油滴蒸发


点火及燃烧过程:






某公司曲轴强度及疲劳性能分析


曲轴是发动机最重要的零部件之一,其疲劳失效及断裂将引起其他零部件随之破坏,甚至造成安全事故。特别是随着发动机动力性和可靠性的提高,其强度问题变得更加重要。曲轴强度研究包括静强度及疲劳强度两种。静强度研究的目的主要是关心曲轴在承受最大工作载荷时的应力分布情况,找出各危险部位。本案例首先利用多体动力学软件对曲轴系统进行多刚体运动学额动力学仿真,获得曲轴强度仿真的准确的载荷边界。进而利用ANSYS Mechanical进行静强度的有限元分析,在ANSYS Workbench平台下,能够快速自动化的完成仿真流程。


某公司利用ANSYS工具分析了曲轴强度及疲劳性能,并与试验结果进行对比,达到预期目标。



左:曲轴模型;   右:轴承载荷



曲轴强度分析及危险点确认





曲轴疲劳分析



进排气系统


对汽车进排气系统进行CFD仿真分析,可以获得系统内部气体流动的详细信息,通过结构优化改进发动机的进气效率,提升发动机性能;同时也能够了解系统中各零部件和子系统如催化转化器、SCR系统、消声器等的工作性能及其复杂的物理化学现象,帮助设计选型及性能优化。


汽车进排气系统CFD仿真的应用案例:进气歧管性能分析


采用ANSYS Fluent软件计算了节气门某一开度下进气歧管不同曲轴转角下的动态特性,得到了不同监测点上压力和速度的变化规律。
  

通过ANSYS Fluent 3D计算可以得到更加详细的局部信息,更加真实的模拟进气歧管内空气流动的动态特性。
  

计算模型及测量点:




不同曲轴转角下进气歧管的压力分布:




监测点处压力和速度随曲轴转角的变化规律:




汽车进排气系统CFD仿真的应用案例:汽油机催化转化器工作性能仿真分析


采用ANSYS Fluent,对汽油机催化转化器内部流动、传热及化学反应过程进行计算,得到了转化器的起燃特性和工作性能。




组分浓度分布:




起燃特性:




汽车进排气系统CFD仿真的应用案例:某公司发动机进配气机构凸轮强度疲劳分析


通过建立某发动机配气机构动力学仿真模型,计算各凸轮承受的作用力和力矩,并将计算结果作为动态载荷,对凸轮轴进行三维瞬态有限元强度分析,以瞬态应力历程对凸轮轴进行强度评价。最后,以有限元分析结果作为输入对凸轮轴进行瞬态疲劳分析,评价其疲劳特性。
  

某公司利用ANSYS工具分析了曲轴强度及疲劳性能,并与试验结果进行对比,达到预期目标。












发动机冷却系统


发动机缸体和缸盖的结构复杂,工作过程中各点间的温差很大,因此合理的设计冷却系统,布置水道和组织冷却水流至关重要。通过对冷却系统进行CFD仿真分析,可以帮助排除冷却水的流动死区,避免出现流动分布不均造成的局部热点及过渡沸腾等不正常现象,保证发动机的正常工作。


发动机冷却系统CFD仿真的应用案例:冷却水套核态沸腾传热性能研究


采用ANSYS Fluent软件中的混合多相流模型,对冷却水套内沸腾传热过程进行了计算,结果表明在此工况下,水套的壁面产生了气泡,这些气泡离开壁面又消失在水中,在水中产生了剧烈扰动,处于核态沸腾传热过程,相比自然对流传热,效果显著增强。
  

ANSYS Fluent软件发展了基于陈氏修正理论的沸腾模型,经验证对水平和竖直流动通道的仿真都能进行精确的模拟,因此可以直接用于冷却水套内沸腾现象的预测。
  

计算模型:




温度及蒸汽体积分数的分布:



发动机冷却系统CFD仿真的应用案例:发动机冷却系统热结构耦合仿真分析


采用ANSYS workbench对发动机冷却系统热结构耦合仿真搭建分析流程,该流程图简洁直观,易于上手,大大降低了耦合场分析的难度。



workbench热结构耦合分析流程



温度场分布云图


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