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1、GT-POWER 培训,所属：shanghai CDAj-china,GT-POWER应用范围,火花塞点火式内燃机。 压燃式内燃机。 二冲程/四冲程内燃机。 单缸、多缸内燃机。 直列、V型内燃机。 各种结构的增压系统： 涡轮增压 机械增压 多级增压 相继涡轮增压（STC） 还可以实现： 均质充量压燃式内燃机(HCCI) 缸内直喷汽油机（GDI） 自由活塞内燃机,典型的内燃机结构简图,发动机性能计算研究 基于1D流体动力学计算 灵活方便学习先进的发动机设计理念 详细的热力学模型 内含许多燃烧 & 排放模型 详细的发动机热分析燃烧分析，计算压力，温度，放热率曲线等 噪声分析包括进排气的噪声，谐振器
2、与消声器的设计，进排气系统及消声器的压力损失 结合SIMULINK进行详细发动机控制设计 结合CFD STAR-CD, fluent and KIVA 进行3-D流体分析,发动机中的应用,解题方法,发动机循环过程的模拟 求解一维流动方程来预测进排气系统的气体流动情况 包含一系列缸内燃烧模型，压力，传热模型 许多详细的子模型：涡轮，消声器，催化反应器等 结合可利用的输入数据和想要的分析结果，全盘考虑在模型的复杂性和精确度之间寻找平衡,一维流动过程,GT-POWER采用的是一维交错网格，即整个系统会离散成一个个相互连接的网格，如下图所示。 标量在网格中心计算，如压力、温度等；矢量在网格的交接面计算
3、，如速度、质量流量等。 每个发动机循环都被分成许多个时间步长来执行,一维流动,每个时间步长都要求解3个方程 连续性方程 (质量守恒) 能量方程(能量守恒) 动量方程 (动量守恒) 每个网格中（子体积）的质量 & 能量 的求解（矢量模式） 压力,温度，各成份的浓度等 都是以每个子体积网格的质心计算 考虑穿过每个子体积网格的统一性 (1D) 边界上的动量守恒方程求解（向量模式) 速度，质量流量等,流动求解例子,每个时间步长的计算,求解不是一个数值迭代重复的过程（如同CFD计算） 求解是在基于t0 时刻的初始状态来解t1时刻的模型状态 新的t1时刻必须很接近t0时刻来确保求解合理 最大的时间步长被用
4、于每一个时间步长的求解。,时间步长,GT-POWER 通过选择时间步长来确保模型计算稳定，所以 Courant number 必须小于或等于0.8, 此处Courant number 由下面这个公式定义： Dt = 时间步长 Dx = 离散单元长度 u = 流速 c = 声速 计算每个子体积的时间步长：最小的那个将应用于整个系统。,预测方法,发动机中每个物理过程中的步骤都是相似的 求解流动方程 预测气缸中的空气和燃油的流动情况 燃烧 模拟燃料能量释放以压力，温度等形式表现 计算 IMEP MEP = 每个循环的功 / 每个循环的扫气容积-摩擦和其他损失功 计算 BMEP, 扭矩 & 功率,网格
5、划分（离散化）,网格的粗细（离散化长度）由用户定义。 对于通常的内燃机性能计算，我们推荐： 进气系统：离散化长度0.4缸径 排气系统：离散化长度0.55缸径 计算噪声时，我们建议此时的离散化长度是性能计算时的一半。 尽量使网格的粗细趋于均匀，这有利于提高计算精度和减少计算时间。,网格划分（离散化）,在一定的范围内，网格越粗，那么时间步长越大，计算速度越快，精度有一定的降低；同理，网格越细，那么时间步长越细，计算速度越慢，精度有一定的提高。 GT-POWER根据COURANT数选择合适的时间步长，以维持计算的稳定。 用户也可调整最大步长而不能设固定的步长。,锥形管的离散,如果满足下列条件，那么锥
6、形管可离散成一个带管接头加收缩后管径的直管 L115 deg. 在收缩方向流量系数 Cd=1，在扩张方向 Cd=“def”,管接头,通过管接头流体流经相邻的两个部件 任意一个方向的流量系数可以用户设定或设定为 “def”. “def” 流量系数通过下图所示两个连接管路计算得到. 流量系数可从GT-POST RLT-Viewer 中看到,管接头 (Cont.),有直径限制, d, 用户自己定义或者设为 “def”（如果没有限制）. 管口也可以由多个空洞组成,流量系数,流量系数为有效流通面积与参考流通面积的比值 参考流通面积由节流口，管口，气阀的直径相关，由用户根据实际情况确定。 参考通流面积可以
7、是定值或变值： 通流面积为定值：零升程时，流量系数为零。 通流面积为变值：零升程时，流量系数大于零。,CD = AEFFECTIVE / AREFERENCE,流体的压缩流动,在不连续的压缩流动中，速度指向中心会导致 a vena contracta. Cd 在流动中表现的特性为 the vena contracta,在流动方向上，边界上流通面积的不连续变化导致了压缩损失Cd = def 假定不连续.,Flow Contractions,边界流通面积的光滑连续性变化不会导致压缩损失. Cd = def Cd 1.0.,流量系数的测量,通过气阀，节气门，管接头的质量流量系数可能利用测量的数据通过
8、流体流经管接口的等熵速度方程计算得到 =实际质量流率 CD = 流量系数 AR = 参考流通面积 ro = 顺流停滞密度 PR = 绝对压比 (静态出口压力/ 总进口压力) R = Gas Constant To = 顺流流体温度 = 比热值 (1.4 for Air 300 K),分叉管的离散,离散要点 不象管路部件，分叉管只有一个子体积（网格） 选择分叉管的尺寸使它尽量接近目标离散长度 连接件放在面积不连续处（利用中心线） 在一些敏感区域或者高流速部件要特别注意离散长度的设置如: 高压进气管 和 排气歧管合拢处,如何离散一个流体系统,使用目标离散长度大致描述分叉管尺寸 在每个管子的边缘设置
9、边界 流动必须与边界正交 注意 分叉管是利用 1-D 来模拟 3-D 现象:，所以有可能不是那么完美 如要求更系则可结合CFD来解决3D问题,分叉管的理论基础,质量，化学成分和能量的计算与直管一样 在管接头中进行动量计算 在计算动量向另外一些开口转移使要考虑角度 (方向的影响),分叉管属性,体积 角度 (X, Y 和Z) 流动方向的变化会导致压力的改变 膨胀直径 膨胀直径流体进入管接头后所能达到的直径，主要用来计算分叉管出口处的流量损失 特征长度 从流体进入管接头，到达管壁或流体边界的长度。主要用于计算压力波的传递和反射。,分叉管的空间位置角度,端口角度必须是相对于坐标轴的夹角 角度必须在 -
10、180 180之间.,普通分叉管离散例子,例: 斜叉管. 膨胀直径: DIAC2=DIAC1, DIAC3 如图 特征长度: DX2=DX1, DX3 如图,多个分叉口的管子 例: 歧管, 集合管（colletor）等 膨胀直径: DIAC2=DIAC3=DIAC1=D1 特征长度: DX2=DX3=DX1,普通分叉管离散例子,GTise中定义的分叉管,不同类型的分叉管的接口都位于分叉管的端口处即定义为管接口.,分叉管的常见错误,分叉管角度 错误: 流体流进、流出分叉管都是一个方向 正确: 方向必须是从每个端口全部指向分叉管或由分叉管全部向外Draw (方向只跟几何形状相关与流体流向无关) 膨
11、胀直径 错误: 当面积不连续时，也使膨胀直径等于进口管子的直径 正确: 膨胀直径应该由内部的截面到边界的距离决定，而不是相邻部件的直径,燃烧模型,内燃机燃烧模型分为以下四种： 1、放热率模型 根据实测的压力数据估算实际放热率，并不涉及严格的数学模型 2、零维模型 利用热力学原理分析燃烧过程，对所涉及的流体动力学过程不做考虑，以时间为唯一自变量的常微分方程 3、准维模型 利用热力学原理分析燃烧过程，对所涉及的流体动力学过程不做考虑，或只做简单处理，也是以时间为唯一自变量的常微分议程。 4、多维模型 用数值方法求解描述燃烧过程的质量、动量、能量和化学组份的守恒方程,零维与准维的区别,零维：把整个气
12、缸视为均匀场，不考虑参数随空间位置的变化，是基于质量与能量平衡。 准维：对空间作分区处理，各区之间参数互不相同，从而能在一定程度上反映缸内参数随空间的变化。 注：零维与准维的本质区别是： 零维必须先给定燃烧率 对于特定的机型，零维与准维较准确地预测其燃烧过程的主要性能参数，准维模型由于燃烧空间上的分区，还能一定程度上预测排放。 但它们也不能从本质上反映燃烧的机理，不能对发动机的性能做详尽的分析和预测。,燃烧模型,柴油机的燃烧模型： 利用试验得到的放热率曲线，使缸内燃烧与之一致。 Wiebe函数模型（零维模型） 准三维喷雾模型（准维模型） 将雾束区域分为500个区域 模拟贯穿，破碎，混合，蒸发，
13、点火，燃烧 用户燃烧模型（KIVA）,燃烧模型,汽油机燃烧模型： 利用试验得到的放热率曲线，使缸内燃烧与之一致。 Wiebe函数模型（零维模型） 准三维湍流火焰模型（准维模型） 在火花塞附近产生的是球形火焰，与燃烧室结构互相作用 通过缸内湍流计算火焰速度 GDI直喷式汽油机。 模拟过程更加复杂（喷射，蒸发，混合） 需要单独模型 用户燃烧模型。,温度和传热,缸壁温度： TWall：指定气缸、活塞、缸壁的平均温度。 TWallDetail：将气缸内部分成更多的区，独立设置传热系数。 TWallSoln：指定气缸几何形状，自动生成有限元求解温度。如下页所示。 使用Twall和TWallDetail时
14、，如果用户没有气缸温度的数据，我们推荐：气缸头为550600K，活塞为550600K，缸壁为400K。 管壁的温度可由用户指定，也可通过设置传热模型求解 进排气端口的温度：由于该处的流动、传热等情况很复杂，我们推荐进气端口的温度为450K，排气端口的温度为550K。,发动机传热,工质与燃烧室内壁面之间的热量交换（包括对流和辐射两种方式） 燃烧室壁内部的热传导 燃烧室外壁面与冷却介质之间的对流和沸腾传热。 缸内传热模型有两个方面： 1、工质与固壁之间的对流换热模型 2、辐射换热模型 注：在POWER模型主要关心工质与燃烧室内壁之间的换热,缸内对流传热模型的分类,迄今为止，用于发动机工作循环模拟的
15、是经验和半经验模型,简单实用的方法求出燃烧和气缸壁面的热流，并不理会实际传热过程的机理和细节。 经验公式： Nussel公式 Eichelberg公式 Pflaum公式 半经验模型： Annand公式 Woschni公式 Sitkei公式 注：以上模型中用得较多的是Annand和Woschni模型，POWER中用后者,POWER中传热模型,Woschni 是一个以指数律为基础的半经验模型 注：此模型在POWER模型中应用最广。能适用于壁面温度高达1000K的场合。 Flow 此模型会采用缸内的流体特性，也就是“EngCylFlow”进行的定义， 在“EngCylFlow”中定义径向速度、轴向速
16、度、涡流、滚流及湍流密度及特征长度 在用此模型时，一定要确认涡流特性已经在有关阀的特性中进行了定义。 Hgprofile 在此输入不同曲轴转角下对应的传热系数，可能通过CFD的计算，进行输入，也可以采用试验的方法进行确认。 User hohenberg,GT-POWER的文件系统,GT-POWER根据后缀名管理文件： Filename.gto：模型数据库文件。 Filename.gtm：用户建立的模型图文件。 Filename.dat：求解器自动调用的文件，对应于用户建立的模型图。 Filename.out：主要的输出结果文件，包含了计算中间结果、错误、命令、提示等。,模块数据库的组织体系,GT-POWER的模块数据库是用户建模的基础，根据物理模型的特点，数据库主要分为七大类： Flow：与流动有关的模块，如管道、阀门等，同时还包括气体、燃油的特性数据等。这是GT-POWER使用频率最高的一类模块， Mechanical：与机械结构有关的模块，如弹簧、内燃机机体等，还有多种金属的特性数据
