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AVL fire简单介绍


AVL-FIRE V2008 AVL—Fire 简介
Fame—— 自动网格生成器 FAME 里基于八叉树过程的自动网格生成工具可实现又快又稳定的网格生 成。 网格建立过程的算法对表面质量不敏感。只要表面的缝隙宽度不超过该处网 格的大小,就不会影响网格的自动生成。FAME 也提供了一系列修补工具,可对 不符合要求的 CAD 数据进行修正。CAD 数据一般通过 STL 接

口读入。体网格则 可以 SWIFT v2,Nastran,Ideas 和 Star-CD 的格式读入。 网格种类和局部细化策略可由用户选择:可生成六面体,四面体或混合型网 格, 不同部分的网格可通过一一对应或任意交界面方式连接。一旦选定网格生成 策略, 网格建成后带有用户定义的贴体网格层数以确保计算结果的高精度。 FAME Advanced Hybrid 这种网格生成工具有自动识别模型大小的功能,能有效地处理 局部结构尺寸差别很大的模型, 如对于模型的某些比起其它部位要小很多的部位 它能自动识别到,并作相应的网格细化。 Fire—— 三维 CFD 流体力学模拟分析计算 发动机三维流动分析软件可以求解最复杂的进气道流动、 内燃机缸内流动和 详细的喷雾燃烧现象等。从而指导优化进气道形状、燃烧室结构、喷射参数和排 放物生成的降低等。该软件是集前处理,求解器和后处理于一体的软件包,在同 一界面能实现三维流动分析的全过程, 有非常友好的用户界面。 典型应用: a. 冷却水套 冷却水套模拟计算早已列入发动机开发过程的常规计算。 对水套的优化分析 包括: 如何分区生成网格以便于调整气缸垫孔径大小, 快速实现流量分布的优化; 近壁网格层数的选取;FIRE 中有预设的针对水套的计算参数模板文件;在准确 预测热传导方面,除有对流换热模型,还考虑某些局部的沸腾换热,同时与通用 有限元软件可直接耦合以计算出准确的传热和温度场; 先进的多相流模块使准确 计算冷却水灌注的瞬态过程成为可能, 这类模拟分析有助于预测水套中残存气泡

的部位,以修改结构排除局部过热的隐患。 b. 柴油机缸内喷雾燃烧 由于柴油机多采用螺旋式气道,在能给出适当的初始涡流比,初始湍流条件 的情况下对缸内流动燃烧分析往往可从进气门关闭开始, 这样就可避免在计算模 型中包含进气道及气门运动, 大大简化计算模型并缩短计算时间。针对不同规格 柴油机设定初始条件等方面有大量的技术 know-how, 有些已写入手册,有些通 过技术支持可确保用户获得。 c. 参数化的燃烧室优化工具 带有多个参数化的燃烧室结构供用户选择, 自动进行移动网格的生成,缸内 瞬态流动喷雾燃烧的计算并自动生成对结果的分析报告。 之后用户可直接在界面 内改变燃烧室结构参数重新计算, 以实现对燃烧室形状的优化。 d. HCCI 燃烧 FIRE 领先推出 HCCI(均质压燃)燃烧模型,国内已有用户成功应用 FIRE 进行 直喷式汽油机 HCCI 燃烧研究,其论文于 2003 年初在 SAE 上发表。 e. 发动机进排气系统 由于采用先进的网格生成技术, 静态进气系统的建模过程可在一小时内完成。 排气管内除一般的流动传热分析外,FIRE 还有专门的尾气处理模块对三元催化 转化器内的流动,传热及排放物的转化进行模拟计算。国内也有 FIRE 用户成功 进行催化器 CFD 模拟和试验研究。

流场分析的基本流程
一、网格自动生成

根据电池包内部流场的特点,我们一般使用 fame 的网格自动生成和手动划 分网格, 两者相结合基本上能完成网格划分。 对于电池数量较少的模型 (如下图) 完全可以用网格自动生成功能来实现网格划分。 下面介绍网格自动生成的流程: 1)准备面 surface mesh 和线 edge mesh:要求:面必须是封闭曲面,一般 FIRE 中可以应用的是.stl 的文件,在 PRO/E,CATIA 等三维的造型软件中都可以生 成;与面的处理相似的还要准备边界的线数据

2)Hybrid assistant

,选择 start new meshing,分别定义

表面网格 define surface mesh 和线网格 define edge mesh 3)然后进入高级选项 fame advanced hybrid,在这里定义最大网格尺寸和最 小网格尺寸,最大网格尺寸是最小网格尺寸的 2^n 倍 4)选择 connecting edge,一般在计算域的进出口表面建立 face selection, 这样可保证 edge 处的网格贴体,否则网格在几何的边角会被圆滑掉,另外还可 以保证进出口面的网格方向与气流方向正交,有利于计算的精确性和收敛性。通 过 add 添加上进出口的 selection 即可。 5) Next 进入 refinement 界面, refinement 界面应当勾选 auto refinement, 点 在 如果在计算域内有需要细化的区域,则在这些区域建立 face selection,通过 add 添加上所建立的 selection, 同时定义网格细化的尺寸和垂直于此 face selection 的 网格的延伸深度。 6)点击 next,进入 OGL objects refinement 界面,一般不需要定义,在下面 的 use advanced settings 前打勾,激活高级设置选项 7)点击 next,进入 keep/remove cells 界面,remove cells 可以减少网格生成 数量而且对于表面模型有细缝的情况,应当选择 remove cells,此项功能相当域 FAME Hexa 中的 keep detail 的功能。点击 next 进入 transformations 界面 8 ) 此 选 项 的 应 用 可 以 参 考 example 中 的 intake port example 中 transformation 的应用,这一功能主要是为了划分间隔距离较小的表面的。它的 原理是先按照 transformation 后的表面划分网格, 再将这种尺寸的网格压缩和放 大等等,保证表面的贴合。 9)点击 next,finish 进入网格自动划分过程。
二、网格划分工具的使用

手动划分网格有多种形式,例如:可以在封闭的面框上生成面网格,再拉伸 面网格得到体网格; 可以将复杂实体分块,在每一块应用手动拉伸或网格自动生 成得到体网格, 再将这些分块的网格用 Join meshes 或 Arbitrary connect 连接; 对 于 2Dmeshing 还可以应用 interpolation 工具进行手动划分。 下面将对一些重要的 工具做解释:

1、Mesh tools 1)Refine Refine 功能用于网格的细化或粗化,Number of closure levels 是指的细化程 度。 2)Smooth 网格的光滑性优化工具 3)Modify 网格的平移,旋转和镜像等功能的操作 4)Enlarge 网格拉伸、扫描和旋转的工具,一般是对面网格的操作。 5)Mapping 网格映射工具,主要用于生成两体网格相贯部分。注意:mapping 的对象是 node selection,mapping 的网格一般是表面网格,先在体网格上 make surface。 6)Connet 网格连接工具,此功能常用。Join meshes 用于两网格贴合处节点位置一一 对应的连接,Arbitrary connect 用于贴合处节点位置不对应的网格连接。注意: 网格连接操作后,要 confirm connect 操作,以消除重复的节点或连接面。 2、surface tools 1)Surface 面生成工具,Make surface 可在体网格上抽出面网格;Triangulation 可在体 网格上生成三角面网格,也可将面网格转化成三角面网格;Center trangulation 同上,得到的三角面网格 2)Surface checks 检查表面网格质量 3)Closed Surface 用于补面,生成面的线轮廓等。先 Find boundary edges 得到空缺面的轮廓, 再进入 triangulate closed edges 选项生成三角形网格的面。 4)Orientate Surface 用于更改面网格方向的,一般应保证面网格内外表面方向一致

3、edge tools 1)Auto edges 线网格生成工具,点选面网格,一般选择 closed edges,调整合适的参数即 可生成 2)manip edge 可以对局部面网格进行生成边网格操作 3)2d meshing 四边形网格生成工具,先准备封闭的线网格,再选择 row adjustment delay 即可生成规则的四边形网格。
三、网格和几何信息工具

划分完网格,一般先要检查网格质量,检查通过后才可以进行下一步工作。 1、网格 check 选择体网格即可激活 check 选项,所生成的网格应保证 required check 选项 下所有的检查结果为 0. 2、Geo info 检查网格的各个组成成分的数量以及几何表面面积和体积。 同时可以检查节 点之间的距离。
四、流场分析求解器的设置

1、边界条件 入口及出口条件的选择(常规应用) : 1)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) 2)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。 3)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 2、流体物性和初始条件 流体物性可预设为常量(空气,流体或新物性), 也可用公式定义;如果有组分 输运, 物性值会被重新计算? 对于空气和可压缩气体, 初始值被作为物性值, (压力,温度和密度)中定义为 0 的那个。 如果

气体状态方程用于更新三个变量

它们都不为 0, 那么密度被更新;所有变量在全场的初始化可通过均匀初始化和 势流场初始化来实现;对于瞬态计算,初始条件必须准确给定,因为后续时间步 的结果直接受其影响。 4、离散 空间离散:计算边界值和导数 计算边界值:Extrapolate(外差)and Mirror(镜面对称) 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,计算导 数的方法:Least Sq. Fit(最小二乘法) and Gauss(高斯法) ,Gauss 作为"默认" 选项 Cell face adjustment: 动量方程的切向扩散项被法向扩散项的值制约, 不建议 用它作为默认选项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 人工可压缩性(Artificial Compressibility)实现了每个单元采用不同的时间步 长 ,即不容易收敛的单元采用较小的时间步,而易收敛的单元采用较大的时间 步,这样松弛因子可以加大 5、算法 SIMPLE 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 6、湍流模型 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-?:四方程模型,精度和稳定性都较好, ?f 推荐使用,计算时间仅比 k-e 模型多 15%。 7、壁处理 标准壁函数 复合壁函数 双层壁函数 近壁处理 Standard wall function Hybrid wall function Two layer wall function Near wall approach

Hybrid wall treatment 建议作为'默认选项,与 K--f 模型联合使用模型联合使 用. 8、壁面热传导 标准壁函数 Standard wall function

Han-Reitz 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 9、焓 Total enthalpy 是默认选项 当温度出现无界解而导致不收敛时, 求解静焓方程会是一个解决方案 10、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)=0.6 11、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和中心差分格式,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0和1之间的数, 1 表明完全采用高阶格式, 为 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 12、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

静态模拟-------以 Intake Manifold Example 为例
问题:如图所示,冷(此处指常温)流体(空 气)以一定的质量流量从inlet Face 进入计 算域,从outlet faces 流出,计算该计算区 域内的流动?需要指出的边界条件如下: Inlet: ??指定的质量流量: m=0.038107 kg/s ??指定的温度: T=293.15 K ??指定湍流条件:湍动能ε =0.02 m2/s2, 湍流长度尺度 lt=0.001 m Outlet: ??指定静压: p=1000000 Pa a. Import Surface Mesh to CFD-WM——面网格的导入 b. Edge Mesh——线网格 线网格是一系列用户定义的、 在离散的表面网格上生成的特征边缘线。 为了生成准确的 体网格,在表面形状比较尖锐的地方需要生成特征边缘线网格。CFD-WM 提供了自动生成 线网格的工具 Auto Edge。

Create Edge Mesh——线网格生成:

c. Create Face Selections for Inlet and Outlet 对于自动化分网格来说,在划分网格之前,在表面网格上要定义大量的 selection。最重 要的 selection 为进口、 出口以及需要局部细化的区域。 此例题只需定义进出口的 selections。

d.FAME Advanced Hybrid Meshing Technique(网格生成技术) 首先保证划分网格需要的文件已经保存。 面网格和线网格在界面中可见。 FAME Advanced Hybrid 是一个全自动的网格生成工具,在开始划分网格之前,所有设置都应该完成。为了 生成合适的体网格,可以输入以下的参数。 1.通过设置最大网格尺寸到最小网格尺寸这一范围, 网格生成器可以根据表面网格的曲率自 动选择网格的尺寸大小,即曲率大的地方将选择小网格进行细化。 2.指定边界层网格的层数。 3.根据建立的边界的 selection,自动生成 connecting edge。 4.用户自定义进行局部的细化。(必须保证最大网格尺寸是细化的网格尺寸的 2n 倍) 5.与边界层相交的网格贴体过程的处理(保留或者删除) 。 6.表面网格和线网格上的 Transformation 可以使表面网格上某个区域发生变形, 使得生成的 体网格与没有变形的体积网格相比,网格数较小,质量较高。

e.Check Mesh Quality(检测网格质量) 网格质量的好坏对计算能否正常进行以及计算的时间和精度都有很大影响, 例如如果有 负网格存在,求解器不能够开始计算。因此有必要对网格质量进行检查。

f.Smooth the Volume Mesh(优化体网格) 对于坏网格需要进行修复处理,使用Smooth 工具对其进行修复。 g.Solver GUI——求解器的图形用户界面 体网格生成之后,下一步用户需要定义计算的目标和选择相应的求解方程,即求解器的 设置。 1. Boundary Conditions——边界条件

2. Fluid Properties (Air)——流体属性

3. Initial Conditions——初始条件

4. Solver Control——求解器控制

1) Discretization——离散

其中: ??Calculation of boundary values 这个参数会影响到边界层的压力计算。当边界层的网格质量较好的时候,可以使用 Extrapolate 选项。如果边界层网格的质量不好,推荐使用Mirror。 ??Calculation of derivatives 这一参数会对网格质量不太好的网格有影响,推荐使用的是Least Square.Fit,因为它较 为精确。如果体网格有很多坏网格的话,可以使用Gauss。 ??Cell face adjustment 动量方程的切向扩散项被法向扩散项的值制约,默认值为No,只有当有很多坏网格的时 候,才推荐使用。 ??Realizabilty constraints 控制局部湍流粘度的最高值,保证计算的稳定性。默认值为No。 ??Artificial compressibility 其对压力的松弛会产生影响, 对不可压流体中压力的微小扰动的传播速度起到抑制的作 用。推荐激活。这个功能只适用于稳态计算。 ??Simple (Based Pressure-Velocity Coupling) SIMPLE 是英文 Semi-Implicit Pressure-Linked Equations 的缩写,意为求解压力耦合方 程组的半隐式方法。它的核心是采用“猜测-修正”的过程,在交错网格的基础上来计算压 力场,从而达到求解动量方程的目的。 2) Equation Control——方程控制 Activate equations(激活方程): Underrelaxation factors(低松弛因子):

由于这个例子模拟的是冷流体,因此不用求解能量方程。这里例子选用的湍流模型是标 准k-ε 双方程模型,k 是湍动能、ε 是湍动能的耗散率。目前适合用内燃机工程应用,我们 推荐k - z - f 模型,它所计算的湍流场更准确。 3) Differencing Schemes——差分格式

为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。为了保证质量守恒,连续方程需要选择中心差分,糅合因子定义为1, 即纯粹的二阶差分。 4) Linear Solver——线性求解器

5) Convergence Criteria——收敛标准

Create Cut Planes——做切片 大家最关心的速度场就可以通过作切片显示出来。 两个迭代步数下, 流场的变化情况可 以通过同时显示两种时间步数下的切片,进行比较。方法如下: 1).在界面的右上角点击 IM 图标,打开 IMPRESS 后处理器。 2).在目录 处选择 Impress-Cuts,点击鼠标 右键 ,在子菜 单中选择 Create->Y-Cut->IM_surfaceAutomesh(1)。 或者点击网格, 激活 IMPRESS 应用工具栏里的切 片选项。 3).切片出现在界面里,特性窗口自动打开。如果网格在默认的位置上,移开网格,就能看 见切片。 4).选择 Data setting。如图所示。

5).在 step 处选择 100 步,在 Display attribute 的下拉菜单中选择 Flow: Velocity[m/s]。 6).选择 Vectors in cell elements,Extrapolate 为默认选项。 7).把生成的切片移开,按照 3-7 步重新进行切片。 8).选择,显示切片的右视图。 9).调整切片的位置如图所示:比较两种不同迭代步数下的流场。


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