AVL_FIR应用精华总结.doc

AVL Fire软件的使用教程点1.Number of closure levels是指的细化程度。2.准备stl 文件（Pro/E 模型save as） 0-3 天 取决于CAD 模型的好坏 建立2D 初始拓扑网格 4 天 用MSC/Patran 或Hypermesh 产生3D 初始拓扑网格 半天 用MSC/Patran 或Hypermesh 用FAME 完成网格 1 天 AVL FAME 检查调整网格质量（付体积、雅可比等） 半天 AVL FAME 修正坏单元( 分成四面体单元等方法) 半天 用MSC/Patran 或Hypermesh。这是AVL 进行项目分析时的一个参照时间。由于后期可能会进行1020 个改动方案的计算，以便确定最优方案，所以只要在原初始拓扑的基础上稍加改动，便可产生新的优质网格，大大缩减改动方案的网格划分所需时间。同时由于六面体的计算机资源也占用得少，计算速度也快，大大加快了项目的分析进度。工程师可把主要时间用于接触定义、边界定义和结果处理等，将精力集中在优化设计方案的分析和筛选上。可用MSC/Patran 或Hypermesh 做初始拓扑，网格能匀称地跨越几何表面为佳（一般网格节点离表面2mm 左右）.用于EXCITE 悬置振动响应计算的整机网格，控制在1 万单元以内；EXCITE 噪声计算的网格控制在5 万单元以内，可使用与壳单元的联合网格。静力分析（变形和应力）中，切割出CAD 模型的分析区，比如：可以是半个缸体，也可以是整个机体裙部和油底壳等，由分析目标而定。根据结构做不同拉伸方向的拓扑，最后完成的网格一般可控制在80-100 万以内。3.网格质量的检查过程与注意的问题：1】在工作域上选择体积网格。2】在FH 应用工具栏的info 中选择Checks。3】Required checks 这一栏里的选项是必须要检查的，选择上所有的选项，如下图所示，在Recommended checks这一栏中是推荐用户进行选择的。最后选择check。 注：在Required checks这一栏中所有选项的数目一定要为0。4】选择Cancel,退出。5】选择File | Save，保存文件。4. Skewness 定义为skew =（理想网格的体积-网格的体积）/理想网格的体积理想网格为等边网格，它与我们进行检查的网格具有相同的外接圆半径。Skewness 的检查主要是针对四面体网格(skew=0:等变, skew1:长条形)。小的六面体网格(FAME网格的边界层) skewness 值不好。5. 对于质量不好的网格，可以采用修复工具进行修复，方法如下：在工作域选定体积网格。从应用工具栏中选FH-MeshTools-Smooth。选择Volume Optimizer 并在Iterations 处输入3。选择Smooth 开始优化。6. 2Dresult 的信息以二进制的格式存在.fl2 文件中，我们可以通过以下步骤进行察看：在目录上，选择2D Results，点击鼠标右键在子菜单中选择View。或者在SG 应用工具栏中选择2D Results。下图显示的就是一个典型的2D 输出。发动机模拟的参数设置7. 目前适合用内燃机工程应用，我们推荐k d f模型，它所计算的湍流场更准确。8.对于柴油机没有直接的模板可以选择，我们可选择Gasoline_DI。9. 对于柴油机的部分模型，由于只计算高压循环，所以起始角是进气门关的时刻。关闭角是排气门开的时刻。10. 时间步长一定要精心控制，对计算的稳定性和精确性都会有影响。在计算的开始时刻，收敛性差，应该采用较小的时间步长使计算稳定，随着计算的进行，时间步长可以逐渐加大。整个压缩冲程最大可以使用2度。喷油开始前需将步长调小，喷雾阶段使用0.2度的计算步长，本例由于是两次喷射，在两次喷射间期使用0.5度步长。燃烧过程可以使用0.5或者0.2度进行尝试膨胀过程计算步长可增加到1度11. 柴油机的部分模型整个计算过程气缸是闭口系，边界的类型一般都是wall，直接设置壁面温度即可。12.柴油机的部分模型，为保证中心网格是六面体，在中心处形成的面，设置为对称边界。13. 湍流长度尺度，取气门最大升程的一半。14. 涡流强度的计算是使用试验测量的平均涡流比乘以发动机转速其方向是采用旋转轴上两个点的坐标的差值进行确定的。15. EGR mass fraction：初始时刻缸内的残余废气系数16. EGR composition：混合燃烧生成这种废气的空气和燃油之间的比例，其定义是过量空气系数的倒数17.松弛因子的设置可以采用左图的设置：在计算刚开始的时候或者喷雾燃烧的时候可适当将动量Momentum和压力(Pressure)的松弛因子调小为动量(0.4)，压力(0.1)18. 2D结果（2D result）的输出一定要激活，可以得到缸内的平均压力和温度等数据 backup文件：建议在喷射时刻前(比如提前1度）一定要输出一个backup文件，以便在以后对喷雾和燃烧模型进行调整的时候可以从喷射前的某一时刻restart，以节省计算时间。19. modules部分设置：物质输运模块只需要选择standard模式即可20. Spray模块，solver的选择：Coupling flags 里除了TKE和dissipa -tion其他必须激活。这些选项决定了parcel和主流体之间的物理量的相互作用21. 碰壁模型Wall Interac -tion Model：与wall jet相比左图中的前三个模型均可以模拟飞溅的现象，故可以模拟油滴与壁膜之间的质量交换。可以考虑干湿壁面，粗燥光滑壁面的影响。几种模型的对比和模拟现象的不同请参考下图22. SPRAY： 蒸发模型Evaporation Model1）Dukowicz: 认为传热和传质过程是完全相似的过程，并且假定Lewis数（热扩散系数与质扩散系数的比值）为1。计算油蒸汽的物性参数（比热，粘性等）所对应的温度采用1/2法， 即是当地流体温度和液滴表面温度和的1/2。2）Spalding：Levis数仍为1，但是由于不再认为传热和传质是完全相似的，需要先求解温度的微分方程，才能求得液滴的新直径，因此需要迭代。3）Abramzon：需要迭代，但是不再有Lewis数为1的限制对于发动机运转条件下的燃油蒸发过程，三种模型没有明显的区别，由于Dukowicz模型不需要迭代，计算时间短，是推荐选项。23. SPRAY 破碎secondary breakup：WAVE 可调整的参数不多，结果可靠，适用于多喷孔的柴油机FIPA和KHRT 模型使用的范围更广（其We数可以很小），适用于柴油机和汽油机TAB 模型不适用于柴油喷射，可以应用于低速的汽油喷射过程（空锥形喷射或者漩流喷射）HUH -GOSMAN适用于中等喷射压力的汽油机多孔喷射。24：SPRAY 破碎secondary breakup：WAVE C1：常数为0.61 决定液滴的稳定直径。计算中不做调整C2：影响破碎时间，其数值越小，破碎时间短，液滴的平均直径小，贯穿距小，是主要调整参数C3：1代表粘性流体，0代表无粘性流体C4： 为了使液滴在一进入流场时就有一定的子液滴出现，可以使用C4和C5两个参数，C4代表的是子液滴的数目，数值越小，子液滴数目越多，但是过小的C4值，会因为子液滴数目过多，导致计算变慢。C5：进入子液滴的质量大小，C5值越大，子液滴所占据的质量越多C6：影响子液滴大小的分布，具体可参见下页C7，C8考虑喷射背压（即环境压力）对C1和C2的。修正：25. SPRAY 破碎secondary breakup： FIPAFIPA 基本思想是把液滴的分裂时间作为分裂过程的控制参数。当We1000时，采用WAVE模型，所以FIPA模型可以模拟从初次破碎到二次破碎的过程。C1：与WAVE中的C1相同，不可调参数。C2 C3：对破碎时间尺度的调整（相当与WAVE的C2）即We1000时，所在网格的空置率0.99999时起作用，C3与之相同，适用于所在网格的空置率0.99999时。C4 C5：对破碎时间尺度的调整，应用于We0.99999时起作用，C5与之相同，适用于所在网格的空置1000时，相当于WAVE的C4。C8：当We Auto edge-Trajectory来选择。60. 在划分动网格的时候 ，表面模型需要注意的地方当气门落座时，表面模型的准备过程中要尽量避免尖角的存在，因为如果有尖角的地方，容易出现坏网格。因此在准备表面模型时可以做如下简化：61. 如果在动网格的划分过程中出现坏网格,应该如何修复。答：在load mesh处，选择出现坏网格的相应角度，选择load,把这一角度的网格载入到界面上，选中这个网格，在FH-Info-Geo info处选择Checks,在create selection 处选择one per criterion,那么，在体网格上，检查出来的坏网格就会自动的做成selection。如图所示，这样就可以激活这些selection，查看坏网格出现的具体位置并在这些地方进行相应的修改。62计算发散的解决方法?A:时间步长的控制 时间步长一定要精心控制，对计算的稳定性和精确性都会有影响。在计算的开始时刻，收敛性差，应该采用较小的时间步长使计算稳定。（比如：0.5度的计算步长），随着计算的进行，时间步长可以逐渐加大。喷油开始前需将步长调小，喷雾阶段使用0.2度的计算步长。燃烧过程可以使用0.5或者0.2度进行尝试膨胀过程计算步长可增加到1度。缸内计算时，在对排气道进行初始化的时候，建议激活smooth这个选项，因为当排气门刚打开时，排气道和燃烧室内存在较大的压力差和温度差，为了提高计算的收敛性，推荐在排气门刚打开这一时刻对气道内压力和温度进行smooth。在calculation of boundary values 处建议选择Mirror，因为Mirror 对于边界网格质量不好的情况更为适用，可作为“默认”选项激活Variable limitslocalimg=400,1711/localimgCell face adjustment-equation,Cell face adjustment-geometry两个选项一般不推荐激活，因为如果这种限制在很多单元起作用,那么会影响能量守衡. 但是,它对质量不好的网格计算有帮助，因此如果出现发散的现象，可以使用table的选项，即在出现发散现象的角度附近激活，而在其他角度不激活。松弛因子的选择：在计算出现发散的时候，用户可以把松弛因子调小，动量方程的松弛因子最小可以为0.3或0.2,连续方程的松弛因子最小可以到0.05,湍动能和耗散率的松弛因子一般最小可以为0.2左右。而能量方程的松弛因子一般都不小于0.8，因为如果在很长时间间隔内能量方程的松弛因子都很小的话，会影响能量守恒。因此，用户也可以使用Table来设定能量方程的松弛因子，即在出现发散的一小段时间间隔内给定较小的能量方程的松弛因子（比如：0.4）点击Fame Engine plus之后会出现一个对话框，您可以在这个里面调入已有的.fep文件，也可以选择一个路径，然后命名，生成一个新的.fep文件。63在边界网格划分工具中，manip edge功能键可以对局部面网格进行生成边网格操作。64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，如果计算不易收敛，则建议进出口都采用流量（出口流量的值要改变符号）65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。 建议是有实测的静压值，这样有助于加快计算收敛。66入口处湍流值的给定：一般turb.ref.velocity处填入进口平均速度（可根据流量估算） % of mean velocity一般填1-10。 % of hydraulic diameter一般填5-10 。这样Turb.kin.energy及下面两项都会由程序自动算出。一般来说，TKE的值大一些对计算收敛有帮助。67SIMPLE这个算法是从离散的连续方程和动量方程里导出一个压力校正方程SIMPLE和SIMPLEC的差别在于速度的更新方法不同；SIMPLEC 对于松弛因子的依赖较弱, 压力的校正甚至不需要下松弛；SIMPLEC 对于一些压力-速度耦合起的作用较大的应用会得到更好的结果. 而在一些有其他源项的情况下, 如较强的湍流, 喷雾, 燃烧时SIMPLE 法算得会更好，SIMPLE是默认的选项。68松弛因子：稳态计算: URF (mom) =0.6, URF(pres)=0.1, URF(turb)=0.4 瞬态计算: URF(mom)=0.6, URF(pres)=0.4, URF(turb)=0.669差分格式：差分格式是由前后网格单元中心(cell enter)的值来计算网格单元面中心点(face center)的值的方法，常用的差分格式有“迎风格式”&“中心差分格式”，在计算精度和收敛性之间取得折衷，采用Blending factor揉和因子以便在高阶的格式中揉入迎风格式。揉合因子是介于和之间的数，为1表明完全采用高阶格式，为0，则只有迎风格式起作用。迎风格式(Upwind)：这是一阶精度的差分格式，无条件收敛，但不适于用在动量方程和连续方程，因为如果网格线与流动方向不一致，该格式会产生数值扩散。中心差分(Central Differencing)：二阶精度，是连续方程的默认格式(揉和因子 blending factor选1)，用于其他方程时揉和因子最多选0.5。收敛性较差。Minmod Relaxed: 也是二阶精度，可与0-1之间的任何揉和因子相配，比中心差分的计算稳定性和收敛性好。对于连续方程建议选用中心差分带揉和因子为1。在高马赫数的情况下可以选用MINMOD或SMART（三阶精度）。对于动量方程通常选用MINMOD带揉和因子1 (发动机的应用可采用0.5)。 能量方程可选用CD 带揉和因子0.5. 但对于发动机计算应选用迎风格式。70线性求解器：在FIRE中采用了非常有效的共轭梯度方法 (CG): GSTB 和CGJP 要在加快计算速度和加强收敛性方面取得最优方案, 我们在界面上提供了Table的方式，这样可以在计算开始收敛性比较差的时候选用GSTB, 然后采用CGJP来加快计算速度，大多数情况下压力项求解器（Continuity)公差可取0.05,但有时必须降到0.005。Algebraic Multigrid(AMG) 类似GSTB, 一般用于非常复杂的问题但要多占用50%的内存。71*创建edge meshes：生成的edge mesh文件往往不符合要求需要修改，通过勾选工程树中的文件，可以改变模型是否在工作区中显示。在工作区中只显示edge mesh，便于修改edge模型。创建一个名为cut的cell单元，单元中所有需要删除的线条，采用Add by Polygon选择，完成后在 View目录下勾选cut单元，选择Apply，在工作区域内只显示删除的线条，右键选择删除的线条，cut或delete完成删除。添加线条，显示表面文件（IP_surf_meshes）。Auto edge选择IP_surf_meshesTrajectoryCreate trajectory by maximum face angleAngle threshold(degrees)输入80Select mesh存在的edge mesh文件Trajectory。72网格检查：Check(检查)完成后，会在#栏中显示检查的数量，同时在工程树IP_surf_smoothautomesh目录下显示。在工作区内显示需要优化的单元，按住ctrl，左键选择CheckTwistFaces, CheckSkewness, CheckCellEdgeAngles 和CheckCellWarpage单元，右键选activate。此法适于任何的单元显示。优化单元，FHMesh ToolsSmoothVolume optimizer在Iterations输入3Smooth，完成后在检查单元质量，会发现坏的单元有所减少。73后处理：在一个工作平面内只能显示一个物理量，观察不同的物理量，有两种方法：一是在工作平面内选择截面，鼠标右键，选择PropertiesData settingsDisplay attribute物理量OK，选择Isocontour lines，结果以等高线的形式显示；二是在3D Result目录下选择相应的物理量，鼠标右键Assign to cut相应的截面。-HD_engine（柴油机）燃烧模拟74 在intake port例子中主要练习利用FAME Advanced Hybrid Meshing Technique来划分体积网格单元的流程。主要练习fire中移动网格划分方法，通过设置几个关键的曲轴转角实现网格的移动来模拟柴油机的缸内循环过程。由于汽缸工作容积的对称性和节省计算时间，根据柴油机的喷油孔的数量，在计算时取工作容积的360/n（n为喷油孔数）模拟计算。752D网格的形成1) 打开bowl_edge,右键选择Properties勾选Points复选框，在边线上显示点。如果点显示不是很清楚，可以改变点的颜色，双击复选框前的颜色框，弹出调色盘，选择适当的颜色即可。2) Edge Tools/2D Meshing/Interpolation/选择bowl_edge/Pick 4 points/选择需要划分区域的四个端点/在对话框中输入相关的参数,都选change input edge mesh/Interpolation，生成TFI_1_of_bowl_edge。详细设置见帮助文件。New line两点之间生成一条新的直线，subdiv两点之间划分的段数，keep不变，compression压缩系数。3) 删除多余的线使得bowl_edge如图所示，划分余下边线网格，Edge tools/2D Meshing/Paving选择bowl_edge选择Keep constant boundary cell thickness输入 0.0001 在Boundary cell thickness输入 1 在 Number of constant thickness cell layers.输入 6 在 Row adjustment delay.选择 Paving完成过程，然后，选择 Cancel 退出，生成名为PAVINGMESH_1_of bowl_edge。4) 用paving的方法划分compensation_edge,在Number of constant thickness cell layers中输入2，生成PAVINGMESH_1_of compensation_edge。5） 将三块2D网格合并。Mesh Tools/Connect/按住Ctrl键，在project选择前面生成的网格/Join Meshes。生成joined_1(1),选择joined_1(1)，保持合并的一致性，选择Conform connect/Calculate default valve/Conform connect，形成最终的2D mesh如右图所示76三维网格形成1）Enlarge/Rotate/选择joied_1(1)/在Number of Subdivisions输入15，在Angle输入45/选择Z axis作为旋转轴/Rotate，生成Rotated_1_of_Joined_1，重命名为bowl_1。2)拉伸bowl_1上表面，形成汽缸工作容积。旋转bowl_1在顶部创建一个Face单元，名为top face，在工作平面内只显示top face和edge_sweep。3）选择Mesh Tools/Enlarge/Extrude/选择top face/Predefined distribution/选择edge_sweep,Vector Z输入1/Extrude，Cancel退出,恢复bowl_1显示。4）将bowl_1和2）中拉伸生成的网格合并，方法同2D mesh相同，生成Joined_2(1), 选择join ed_2(1)/选择Conform connect/Calculate default valve/Conform connect，注意连接时经常会有连接不上的问题，影响后面移动网格的形成，可以反复连接几次。重命名为HD_engine_180。5）检查HD_engine_180，保证Negative Normals为零。如果不为零，检查2D mesh过程。-77. 求解器设置问题：入口及出口条件的选择（常规应用）：对于进气歧管稳态计算，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（试验测得的或BOOST算出的瞬态压力值）。对于气道计算，一般在稳压箱入口面加总压，气缸出口处加静压，为了确保计算的收敛，出口面不能有回流，所以气缸的长度至少要为缸径的2.5倍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。建议是有实测的静压值，这样有助于加快计算收敛。77-1. 78流体物性和初始条件： 如果激活1-方程湍流模型(计算湍流粘度), Spalart-Allmaras模型将被采用。迭代几步之后计算将转用实际选择的湍流模型。得到湍流粘度后, 初始湍流长度尺度被用于重新计算耗散率和湍动能公式编辑器也可被用于设置初始值计算多孔介质时, 可以预设很小的通过多孔介质的初始速度。(这对催化转化器和管摩擦模型的使用是重要的)79湍流模型参数选择设置：S-A单方程模型：一般用于高马赫数流动涡粘性/耗散模型（k-e）：双方程模型。基于Boussinesq假设，隐含湍流是各相同性的，导致对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。适合工程应用。k-f：四方程模型，精度和稳定性都较好，推荐使用，计算时间仅k-e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。AVL复合湍流模型（HTM)：AVL研究发现k-e模型无法准确模拟汽车尾部流动，而应用RSM模型的瞬态流动分析则能很好模拟尾涡脱落现象。为了结合k-e模型与RSM模型的优点，提出了AVL复合湍流模型，其中k-e模型中的C不再是常数，而通过与RSM模型偶合求得。对湍流应力项的处理80Wall treatment壁处理：标准壁函数Standard wall function复合壁函数Hybrid wall function双层壁函数Two layer wall function近壁处理Near wall approach。速度与温度的计算：Hybrid wall treatment建议作为默认选项，与K-f模型联合使用.81壁面热传导：标准壁函数Standard wall 。functionHanHan-ReitzReitz模型中考虑了边界层中气体密度的变化和湍流Prandtl数的增加82高马赫数流动：当发动机内流动的马赫数高于0.5时一些用于亚音速流动的设置会自动起作用.所以可压缩流是发动机应用中“默认”的选项。对于这样的计算, 可选用MINMOD差分格式带揉和因子1。对