4个案例带你深入了解发动机的CFD分析

对于包含各种运动机械的专业性CFD分析工具性能的不断更新和进步，使得系统级分析的CFD计算得到越来越多的应用。下面给大家分享4个基于PumpLinx的三维系统级CFD仿真分析案例。

1、PumpLinx在4缸发动机润滑系统仿真中的应用

德国大众早在2011年即使用PumpLinx将汽车润滑系统中的若干部件同时进行模拟，包含发动机水套、油冷器、机油泵、泄压阀、4缸轴承油道、主油道和其他管道等部件。通过仿真分析从机油泵中泵出的滑油在不同支路中的流量配比情况，评价设计是否能够保证发动机各个部件都得到有效的润滑。对于某些高压工况，控制阀门的配合情况以及空化效应对于系统的影响也得到了细致分析；对于主轴轴承和轴瓦间间隙处润滑效果的模拟也取得了有益的结果。以下是部分过程图片。

图1 润滑系统几何结构

图2 PumpLinx系统仿真模型

           

图3  3D阀门的瞬时工作情况模拟

图4 系统压力分布

 

图5系统空化体积分数分布

2、PumpLinx在16缸发动机润滑系统仿真中的应用

该案例来自凯特比勒公司，如下图所示，该16缸发动机润滑系统由油泵、控压阀，过滤器，冷却器，主油道和连杆油膜等众多部件组成。其网格总数600万，计算时间为9小时每转。

图6  V-16发动机润滑系统三维仿真计算模型

 

图7  V-16发动机润滑系统各部件的网格

 

图8  V-16发动机润滑系统整体网格

本系统级仿真采用瞬态计算，润滑油的物性参数如下表所示。

表1  滑油物性

齿轮转速采用恒定转速，即1.33倍的发动机转速；本案例中对于轴承变形也做了细致分析，由动力学分析获得轴承的变形规律，在PumpLinx中作为已知条件进行输入，以动网格进行描述。压力调节滑阀的位移计算是根据流体与结构的相互受力平衡确定，阀芯质量是5kg，弹簧弹性系数是93800N/m，预紧力是2130N。部分计算结果图片如下所示：

 

图9  不同时刻主油道、连杆活塞油道和输油道的压力分布

 

图10  V-16发动机润滑系统空化体积分数分布

 

图11  V-16发动机润滑系统压力分布（箭头处是仿真结果与计算结果的对比点）

对监测数据进行无量纲分析，并与试验数据进行对比可知，PumpLinx计算结果与试验结果吻合度较高，可以有效指导该类型系统的设计优化。

 

表2  无量纲压力值的仿真结果与试验结果

3、PumpLinx在冷却系统分析中的应用

本案例来自美国福特公司。该发动机冷却系统由水泵、分流阀（节温器）、水套、散热器及管道等组成完整水路系统。建模时间约4小时，计算时间约24小时。

该冷却系统对于节温器的由于温度变化，引起的热胀冷缩过程也进行了真实分析。对于节温器的分流作用，由于节温器随着温度升高，节温器内的石蜡开始融化，逐渐变为液体，体积增大顶开节温器，使冷却液流经散热器和节温器。PumpLinx通过对温度场的分析和石蜡的密度随温度变化的影响进行分析描述，真实模拟冷却系统的分流冷却过程，最终获得令人满意的结果。

 

图12 发动机冷却系统分析

4、发动机油泵冷启动分析

发动机机油在低温环境下，机油会表现出复杂的流变行为，此时润滑油粘度会大大增加，变成非牛顿流体状态。此时如果油泵吸油困难则会对发动机发生不可逆转的损害，造成发动机启动困难。因此对于油泵的冷启动自吸性能的分析显得十分重要。

油泵作为容积式运动机械，进行CFD分析时需要构建结构网格并描述动网格运动，传统CFD软件难以完成。此外在低温环境下油品粘度加大，不能以牛顿流体介质对待，油泵吸油过程存在气液两相，油泵是否能正常吸油需要利用多相流的分析手段进行分析，因此数值求解难度加大。

PumpLinx作为专业的运动机械CFD工具，内置有专业的泵模板可快速完成泵的结构网格划分和动网格设置。同时PumpLinx内置有非牛流体模型和基于VOF的多相流分析模型可以较好地实现泵的自吸过程的分析。

 

图13 油泵自吸模拟

 

图14 油液高度随时间变化对比结果

总结

PumpLinx作为专业的运动机械分析工具，不仅可以快速完成运动机械的单个部件分析，对于系统级的分析也能很好地适应，其前处理时间和计算求解时间均在可接受范围内，可以在相对较短的时间内获得丰富的数据结果指导设计。值得一提的是，上述系统级分析的案例对于计算机配置并没有特别高的要求，大部分案例的计算均在下述配置的电脑上完成。

 

图15 机器配置

文章来源：海基科技