流動部件的建模

流動部件的建模CDAJ-CHINA所屬：GTTEAM主要內(nèi)容流動基本方程和解法時間步長的計算離散普通管路的建模分叉管的建模連接部件的建模邊界條件的設(shè)定流動的基本方程連續(xù)方程：能量方程：動量方程：顯式隱式流動的基本方程求解的難點往往不是微分方程本身和編制程序本身而是難于獲知解題所需的各種實用和合理的物理常數(shù)及參數(shù)值。而這些往往是各個公司的技術(shù)秘密。針對具體的對象，通過大量的試驗和產(chǎn)品的使用經(jīng)驗而獲得的。有的時候，由于對于研究對象的物理規(guī)律還不是很清楚，或者情況過于復雜，就要利用經(jīng)驗公式和中間試驗結(jié)果協(xié)助進行計算。流動方程的解法隱式：計算結(jié)果依靠所有的網(wǎng)格和邊界的條件建立非線性微分方程聯(lián)立求解（迭代和插值）。一般采用比較多的計算步數(shù)。但是計算的穩(wěn)定性要好于顯式算法。所以這種算法用于比較長的時間的模擬。顯式：新的時間步長的結(jié)果只與控制體本身和相鄰的節(jié)點有關(guān)，直接由前一個步長的結(jié)果求出不需要迭代。時間步長的計算顯示算法：這種方法的時間步長必須滿足Courant條件：Courant數(shù)<=1，一般我們?nèi)?.8m：系數(shù)（def＝1）時間步長由GT-SUITE本身決定。這種方法對于進排氣系統(tǒng)和燃油噴射系統(tǒng)內(nèi)的壓力波動計算比較準確。而冷卻系統(tǒng)中一般不考慮壓力波動。GT-FULE和大多數(shù)GT-POWER模型用這種算法。時間步長的計算隱式算法：GT-COOL和GT-POWER中暖機工況的排氣系統(tǒng)計算用這種方法。這種方法計算速度比較快，但是也必須滿足一些條件：系統(tǒng)內(nèi)參數(shù)波動比較?。ɑ蛘咴谟嬎阒羞@種波動不重要)系統(tǒng)內(nèi)最大的Mach數(shù)小于0.3（計算出的流量在節(jié)流出會高于實際流量）時間步長由用戶直接輸入。如果時間步長過大，程序會自動警告（或者在*msg*out文件中顯示)在ImplicitSolnControl模塊有比較詳細的說明。離散長度推薦：進氣系統(tǒng)：離散長度＝0.40BORE排氣系統(tǒng)：離散長度＝0.55BORE在需要高頻分析的時候要把離散長度變短。例如:聲學分析和性能分析@6000rpm+聲學分析的時候的離散長度應為性能分析的一半。系統(tǒng)中不能有一到兩個長度很短（遠小于離散長度）的部件，這樣會導致時間步長很小，計算時間過長。一般來講可以把這些長度很短的部件合并到連接件中來考慮。限制時間步長的部件可以在GT-POST的TimeStepRestriction中看到，或者在*out文件中看到。Pipe摩擦損失：在Runsetup中的Flowcontrol可以通過定義GlobalFrictionMultiplier(constantterm)增加整個流動系統(tǒng)的摩擦?；蛘咄ㄟ^定義GlobalFrictionMultiplier(unsteadyterm)研究流體流動脈沖對摩擦損失的影響。層流湍流D:管路直徑h:粗糙高度Pipe

壓力損失：主要是由于管路的彎曲、截面的變化引起的。程序中可以通過定義壓力損失系數(shù)Cp來考慮。這里的壓力損失系數(shù)不考慮壁面的摩擦。如果設(shè)置為Def,程序?qū)ζ溥M行自動的計算（以大量的試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)）。另外,這里的壓力損失系數(shù)還不包括管路截面形狀突變帶來的損失，這些損失GT-SUITE也將自動計算。p1、p2為進出口總壓V1進口流速Pipe傳熱對于光滑表面的傳熱系數(shù)采用Colburn公式：對于粗糙表面的傳熱系數(shù)需要進行修正：(因為表面粗糙度對傳熱影響很大）在Runsetup中的Flowcontrol可以通過定義GlobalheatTransferMultiplier來改變整個系統(tǒng)的傳熱系數(shù)。Pipe傳熱系數(shù)流體溫度壁面溫度總的散熱量壁面溫度HeatConductionObject使用‘HeatCComps’用戶輸入：自然對流、強制對流以及輻射的相關(guān)參數(shù)。對于自然對流的空氣其換熱系數(shù)一般為5－20W/m^2*K。最大值通常在有風扇的情況下的值（但是不考慮風扇直接吹向表面的那部分）熱輻射系數(shù)通常設(shè)置為0.5－0.8。發(fā)光物質(zhì)的熱輻射系數(shù)更小。Pipe溫度可以進行穩(wěn)態(tài)/瞬態(tài)的求解，但是在暖機過程中只能采用瞬態(tài)求解。在ThermalControl中控制。壁面溫度的求解可以進行開關(guān)控制，操作同上?？梢赃M行絕緣管和同心管的建模。在HeatCComps可以進行多層管的建模。第一行是最里面的一層，最后一行是最外面的一層。而且每層都可以采用不同的材料。（‘HeatCMaterials’）‘HeatCFlange’可以進行從一個部件表面到另一個部件表面?zhèn)鳠岬慕＃ㄅc流動平行）。特別是當兩個部件間有較大的溫度梯度的時候（比如：從進氣歧管到缸頭）如果兩個部件間用‘HeatCFlange’連接，至少有一個部件要激活HeatCComps。Flexible/ElasticPipeGT可以進行軟管和彈性管的建模?？梢钥紤]在壓力作用下管路的直徑和長度的變化。模型考慮：楊氏定律、泊松比和幾何形狀用PipeFlexibleWall和‘PipeRoundBendFlxWall實現(xiàn).MultiplePipe主要用于建立催化轉(zhuǎn)化器和換熱器內(nèi)部的管路。只能和flowsplit或者和它有相同數(shù)目的芯子的管路連接與flowsplit時，每根內(nèi)管分配的膨脹直徑為一般用def的orifice進行連接。如果與orifice連接的時候，NumberofIdenticalHoles必須設(shè)置為1。除非用戶想把每個芯子都連接一個orifice。與Pipe類似，這種管路的傳熱也可以用‘HeatCComps’，但是如果管路時蜂窩狀的，在FreeConvection/Matrix中要設(shè)置成Matrix，‘ExternalConvectionCoefficient’和‘Emissivity’要設(shè)置為ign。但是如果是換熱器內(nèi)部的管路（流動為橫流),FreeConvection/Matrix中要設(shè)置成off，這時需要設(shè)置每跟管路的外部對流換熱系數(shù)。Short-ConeDiscretization原因：如果管系中有比較大的錐角，流動會出現(xiàn)壁面分離。因此，在一維流動系統(tǒng)的建模過程中，必須要考慮到錐管對流動的影響。一維求解方法通過把PL設(shè)置為def,設(shè)置合適的離散長度，可以對長管（沒有流動分離）內(nèi)流體的流動模擬的比較精確。但是該方法對短管內(nèi)的流動的分離計算不準確。Short-ConeDiscretization（應該如何翻譯？）當滿足下述兩個條件時，左圖的管路可以簡化成右圖的管路：

管路的連接件orifice的參數(shù)應設(shè)置如下：直徑＝def＝d縮流方向的流量系數(shù)Cd≈1，擴流方向的流量系數(shù)Cd＝1Short-ConeDiscretization當滿足一下條件的時候：計算的精度將大大提高。最大的離散長度由下式估算出來：Ceiling是圓整函數(shù)。分叉管的定義‘FsplitTRight’‘FsplitSphere’‘FsplitGeneral’‘FsplitAbsorbing’基本要素：截面面積和長度當形狀不規(guī)則的時候需要考慮體積。另外需要調(diào)整摩擦系數(shù)、傳熱系數(shù)、壓力損失系數(shù)以考慮幾何形狀對流動的影響?！瓼splitTRight’只用定義1、2的管徑和長度，3的幾何形狀是默認的。只定義一個單獨的體積，不進行離散。所以長度應該盡可能的跟離散長度相等。當分叉管長度小于端點3連接的管路直徑的時候求解器自動進行調(diào)整，這種情況經(jīng)常發(fā)生在消聲器建模的時候，因為此時的離散長度很小?！瓼splitSphere’這種連接可以有多種端口。每個端口都可以定義直徑和方向。端口的方向可以依據(jù)一個相對坐標系來定義.通常我們可以把一個端口的方向定義為一個坐標軸，而其他端口的位置可以通過調(diào)整其在相對坐標系的位置來確定?！瓼splitGeneral’特點：可以任意不規(guī)則形狀的分叉管（包括上面兩種）。需要的輸入?yún)?shù)最多，但是定義的方式也最為靈活。最重要的兩個參數(shù)是：膨脹直徑流體從任意一個端口進入分叉管后的膨脹程度。只與分叉管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。而和與之連接的管路和接口的結(jié)構(gòu)無關(guān)。特征長度定義為流體從進入分叉管到遇到阻礙（壁面、流動邊界等）的路徑長度。即為流動和壓力波在流域內(nèi)所經(jīng)過的路徑，能夠長度對壓力波動和流動特性的影響（如碰壁后的反射、疊加、抵消等等）

‘FsplitGeneral’端口3的膨脹直徑為:端口1、2的膨脹直徑為：DIAC1和DIAC2特征長度如圖DX1、DX2、DX3所示:‘FsplitGeneral’該結(jié)構(gòu)形式的膨脹直徑的計算分兩種情況：1.當2和3的流動不干涉的時候，端口2、3的膨脹直徑應該為DIAC1.2.當2和3的流動干涉（同相）的時候，端口2、3的流動各膨脹到端口1的1/2.此時端口2、3的膨脹直徑為：該結(jié)構(gòu)的特征長度的值為圖中所示：DX1=DX2=DX3‘FsplitGeneral’‘FsplitAsorbing’主要用于消聲器的建模中。與‘FsplitGeneral’很類似，只是在其中填充了消聲材料。消聲材料的流阻可以通過測量其在穩(wěn)流速度場中壓力損失來獲得。（把消聲材料放置在管子里并用多孔線網(wǎng)包起來）FlowConnectionOrifice:圓孔/有一個固定的或者可控的直徑Valve:提升閥、針閥、單向閥、進、排、掃氣孔（二沖程）Throttle：節(jié)氣門,同orifice類似Pressurelose：壓氣損失vs.流動特性（GT-COOL、FUEL)Annularleak:GT-FUEL泵的泄流閥Orificeorificeinletoutletd：orifice直徑Din：進口直徑Dout：出口直徑d<DinorDout說明有節(jié)流。如果把d設(shè)置為def，則d＝minDin,Dout如果d<Din同時d<Dout,則正反向流量系數(shù)設(shè)為0.6如果d>>Dout(例如Din/Dout=10)則正向流量系數(shù)設(shè)置為0.8如果d＝Din＝Dout則流量系數(shù)為1。PressureLossConnection

已知壓力損失和質(zhì)量流量或者體積流量之間的關(guān)系。用于模擬GT-POWER/FUEL/COOL中一些原件（散熱器、缸體、空濾器等）的壓力損失。其不是一個真正的流動部件，用簡化的動量方程。模型中用一個時間常數(shù)來保證計算的穩(wěn)定性。Throttle需要輸入每個角度下的正反向流量系數(shù)。角度可以設(shè)置為一個時間變量去模擬它開啟和關(guān)閉的過程，也可以通過執(zhí)行器對其進行控制。流量系數(shù)定義：有效流通面積/參考流通面積用于計算通過閥體、節(jié)流閥、球形閥以及orifice等的流量對于液體：對于氣體：其中：當壓比滿足：流量系數(shù)對于orifice，AR通過orifice的直徑來計算對于各種閥體，AR通過輸入的參考直徑來計算對于凸輪驅(qū)動的閥體，參考面積有兩種不同的計算方法：對于所有的L/D,采用定值。Array中必須從0開始不同的升程，值不同。Array中必須從非0數(shù)開始邊界條件的設(shè)定‘EndEnvironment’：輸入壓力和溫度?！瓻ndEnvironmentRam’:考慮流速的影響的時候使用‘EndFlowInlet’:輸入的是流量而不是壓力。

<注>

‘EndFlowInlet’可以輸入流速、質(zhì)量流量或者體積流量。如果流體的流率不是連續(xù)的，這時要特別注意，這種情況在液力系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生，因為此時系統(tǒng)的壓力不是特別高就是特別低，從而導致系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生空穴，計算很不穩(wěn)定。使得壓