基于STAR-CCM+和AMEsim的喷油器三维一维耦合仿真分析

STAR2013中国用户大会论文集王勇，中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所，计算研究部，15861686627基于STAR-CCM+和AMEsim的喷油器三维一维耦合仿真分析王勇，夏兴兰，王胜利，刘敏，李康宁，杨鹿（中国第一汽车股份有限公司无锡油泵油嘴研究所，无锡，214063）Tel：[phone]，Email：[e-mail]摘要：建立喷油器一维三维耦合计算模型，可以详细分析油嘴部分几何结构改变对喷油器整体性能的影响。本文采用STAR-CCM+和AMEsim软件，建立某型号喷油器三维一维耦合仿真模型。在AMEsim软件中建立该型号喷油器的一维模型，同时，在STAR-CCM+软件中建立了喷油器油嘴三维动网格计算模型。分析了该型号喷油器在小油量工况和大油量工况下的喷油规律、针阀升程，通过与实测数据对比得出：小油量工况下，耦合计算喷油量与实验测量值相差较大；大油量工况下，耦合计算喷油量与实验测量值十分接近。分析认为通过修改三维油嘴计算模型，实现油嘴部分的完全关闭，可以改善耦合计算结果。关键词：STAR-CCM+，AMEsim，喷油器，油嘴，一维三维耦合0前言随着汽车工业的不断发展，柴油机共轨喷油器的喷射压力也随之越来高，许多厂家已经开始生产2000~2500bar喷射压力的喷油器，而2500bar以上超高压喷射压力的喷油器也成为许多厂家的研究目标。高的喷射压力允许喷油器使用更小的喷孔，从而改善柴油在缸内的雾化效果，以达到优化缸内燃烧过程，降低排放，改善油耗的目的[1]。通过建立油嘴部分三维CFD计算模型，可以详细分析喷油器油嘴部分几何结构对喷油特性的影响。同时，由于油嘴针阀的运动是由作用在针阀顶部和底部锥面的压力所决定的，而作为三维CFD计算的边界条件，该处的压力是无法通过实验测量的。AMEsim是一款功能强大的一维液力性能仿真软件，采用AMEsim软件可以搭建喷油器整个系统的详细一维液力计算模型，通过该模型可以计算分析喷油器各处的压力变化情况，但该软件在计算喷油器油嘴部分时，进行了相应的一维简化，对某些特殊结构的油嘴不能较好的考虑其几何结构改变对喷油性能的影响[2]。在STAR-CCM+软件中提供了与AMEsim软件耦合的直接接口，因此，在STAR-CCM+中建立油嘴部分的三维CFD计算模型，同时，在AMEsim中建立相应喷油器整个系统的一维液力模型。通过两个软件的耦合计算，可以获得三维计算所需的边界条件，并能详细考虑油嘴几何结构改变对喷油特性的影响。1一维计算模型1.1喷油器基本参数本文所研究的是一款适用于高压喷射的柴油共轨喷油器，如表1所示，为某型号喷油器基本参数；如图1所示，为该型号喷油器三维几何模型。表1某型号喷油器基本参数参数值喷孔数8喷孔孔径0.16mm针阀最大升程0.35mm针阀座面密封直径2.0mm针阀密封锥面角度30.0deg针阀座密封锥面角度29.0degSTAR2013中国用户大会论文集图1某型号喷油器三维几何模型1.2喷油器一维计算模型对该型号喷油器进行分析，建立该型号喷油器一维AMEsim计算模型，如图2所示，为该型号喷油器一维AMEsim计算模型。该模型包括了喷油器所有工作元件，通过该模型可以计算分析整个喷油器的一维液力性能[3]。图2某型号喷油器一维AMEsim计算模型在AMEsim的建模中，对油嘴部分的几何结构进行了相应的简化，将油嘴部分简化为相应位置的节流作用，由于简化的结构和方法有限，针对实际生产中变化复杂的结构，无法精确的简化各种结构。因此，采用三维CFD计算软件，按照实际几何结构建立计算模型，能很的反应出几何结构变化对喷油特性的影响。2三维计算模型2.1三维模型的建立本文采用STAR-CCM+软件中morphing功能，实现了对油嘴针阀的动网格建模与计算。为在STAR-CCM+软件中实现对针阀动网格的建模，本文先对油嘴结构相对简单的A型号STAR2013中国用户大会论文集喷油器油嘴进行建模。如图3所示，为A型号喷油器油嘴1/8结构化网格。结构化网格建立在油嘴最小间隙为0.01mm位置，通过morphing的功能拉伸至最大升程0.35mm，实现了油嘴动网格的建模。图3A型号喷油器油嘴1/8结构化网格2.2三维计算结果分析为在STAR-CCM+中实现对油嘴的三维CFD计算，需要对三维计算条件进行设置，如表2所示，为三维CFD计算条件设置。表2三维CFD计算条件设置名称设置入口压力1600bar出口压力5bar针阀升程图4所示时间步长/物理时间1.0e-05s/0.0039s网格数量58162计算中针阀的运动规律为给定升程曲线，为分析计算的稳定性，针阀升程给定为两个循环的运动，如图4所示，为针阀运动升程曲线。图4针阀运动升程曲线按表2所示的计算条件进行设置后，采用STAR-CCM+软件实现对油嘴动网格的计算。如图5所示，为计算所得A型号喷油器喷油速率曲线。分析图5可以看出，第一个循环和第二个循环的喷油速率曲线相差不大，在误差允许的范围内，可以认为第二个循环是第一个循环的重复，但进行两个循环的计算将成倍增加计算时间。因此，可以认为：在误差允许的范围内，第一个循环的计算结果就能正确的反应出喷油器的喷油速率特性，在之后的计算过程中都可以采用第一个循环的计算结果。2.3三维计算结果的时间步长和网格无关性验证对三维CFD计算结果与时间步长、网格数量进行无关性验证，设计了如表3所示的计算方案。STAR2013中国用户大会论文集图5A型号喷油器喷油速率曲线表3计算方案名称方案一方案二方案三时间步长1.0e-05s1.0E-06s1.0e-05s网格数量5816258162321674方案二在方案一的基础上将时间步长减小为1.0e-06s，并保持其他设置参数如表2所示不变，方案三在方案一的基础上增加网格数量为321674，并保持其他设置参数如表2所示不变。对比三种计算方案下的喷油速率曲线，如图6所示，为三种方案计算结果对比。图6三种方案计算结果对比分析图6可看出：当分别减小时间步长和增加网格数量时，对第一个循环的计算结果影响较小，在误差允许范围内可以忽略，对第二个循环的计算结果存在略微影响。当采用第一个循环作为预测喷油速率特性时，可以认为改变时间步长和增加网格数量对计算结果的影响在误差允许范围内可以忽略。但是，当减小时间步长和增加网格数量时，将使得计算消耗时间增加三倍至四倍，因此，针对不同的计算模型，应当合理的选择计算时间步长和网格数量，衡量计算精度和计算时间的要求。本文在进行一维三维耦合计算时，三维计算时间步长必须与一维AMEsim软件的设置保持一致。3一维三维耦合计算模型3.1一维三维耦合计算模型的建立在STAR-CCM+软件中提供了与AMEsim软件耦合的直接接口，通过该接口可以实现两个软件在计算过程中的实时数据交换，从而实现一维三维的强耦合计算[4]。相对于结构简单的A型号喷油器，计算的某型号喷油器，需要重新获得三维计算网格，由于该油嘴结构相对复杂，必须建立其1/4油嘴网格模型。如图7所示，为某型号喷油器油STAR2013中国用户大会论文集嘴1/4网格模型。图7所示，为针阀处于最小升程0.005mm处的网格，通过morphing的功能，将网格拉伸至最大升程0.35mm处。图7某型号喷油器油嘴1/4网格模型将图2中一维AMEsim模型进行改进，油嘴部分采用AMEsim软件通用共仿真库中TCP模块代替，同时，设置该模块具有5个端口。在计算过程中，starcmm+和AMEsim进行实时数据交换，形成强耦合计算模型。计算过程中，AMEsim将计算所得针阀升程、油嘴入口压力以及油嘴背压输出给STAR-CCM+；STAR-CCM+将计算所得针阀受力、油嘴流量输出给AMEsim，计算开始由AMEsim驱动STAR-CCM+进行计算。如图8所示，为建立的某型号喷油器一维三维耦合计算模型。图8某型号喷油器一维三维耦合计算模型3.2一维三维耦合计算结果分析采用图8所示的一维三维耦合计算模型，分别计算了350bar、700μs和1600bar、1500μs工况下的喷油速率曲线和针阀升程曲线，并与采用一维AMEsim软件单独计算所得计算结果进行对比。必须注意的是：在目前的三维计算中，为保证三维计算存在计算域，在针阀油嘴处必须始终保留间隙，以保证该处具有计算域；而在一维AMEsim计算中，可以实现油嘴针阀处的完全关闭，因此在对比计算结果时，应该考虑这些因素的影响。3.2.1350bar、700μs工况STAR2013中国用户大会论文集对比350bar、700μs工况下，两种计算模型中所得针阀升程，如图9所示；对应两种计算模型中喷油速率，如图10所示。图9350bar、700μs工况，针阀升程图10350bar、700μs工况，喷油速率分析350bar、700μs工况下的计算结果可以发现：耦合计算的针阀升程远大于AMEsim计算的升程，从而使得耦合计算的喷油速率曲线也远远大AMEsim计算的喷油速率。对该工况下的喷油速率曲线进行积分，可以得出AMEsim计算的喷油量是9.0mm3，耦合计算的喷油量是18.0mm3，在该工况下实测喷油量为12mm3。同时，分析认为：在350bar、700μs工况下，喷油器的喷油量较小，喷油量的大小对油嘴结构参数的敏感度较大，结构上细微的变化对喷油量大小影响很大。AMEsim一维模型较实际结构作了相应简化，从而使得计算喷油量偏小；而耦合计算模型中，由于在三维模型油嘴处始终存在间隙，从而使得计算模型与实际工作条件有所差别，因此，在小工况下，该误差被放大，从而使计算喷油量远远大于实际测量值。3.2.21600bar、1500μs工况对比1600bar、1500μs工况下，两种计算模型中所得针阀升程，如图11所示；对应两种计算模型中喷油速率，如图12所示。图111600bar、1500μs工况，针阀升程图121600bar、1500μs工况，喷油速率分析1600bar、1500μs工况下的计算结果可以发现：耦合计算结果的针阀升程开启时刻提前，开启速度也相对较快，关闭时刻延后，关闭速度较慢。也就是说，在耦合模型中，喷油器油嘴部分压力建立较快，而泄压较慢。从而导致在喷油速率方面，耦合模型的喷油速率成“矮胖型”，而一维AMEsim计算结果成“高瘦型”。对该工况下的喷油速率曲线进行积分，可以得出AMEsim计算的喷油量是174.5mm3，耦合计算的喷油量是190mm3，在该工况下实测喷油量为188.5mm3。分析认为：在1600bar、1500μs工况下，耦合模型的计算结果十分接近实测值，而一维AMEsim的计算结果与实测有一定的差距。也就是说：在耦合计算模型中存在的油嘴密封面处间隙对喷油量影响效果在大工况下被弱化，使其计算值能较好的预测实测值；而AMEsim中油嘴处的简化模型，在大工况下对油嘴喷油量的影响仍然较大。3.2.3计算结果分析通过对350bar、700μs工况和1600bar、1500μs工况的计算分析可以发现：在一维AMEsimSTAR2013中国用户大会论文集建模中，必须针对真实油嘴模型进行合理简化，该简化模型直接影响对喷油器喷油特性的计算，并直接影响液力模型的计算结果，因此，无论在小工况还是大工况都会产生影响。而实际生产中油嘴结构形状复杂多变，AMEsim软件虽然提供了较多的简化方法，但某些特殊结构的油嘴AMEsim也不能提出很好简化模型。采用三维建模的方式，针对复杂多变的结构形状，建立相应的三维CFD计算模型，并与AMEsim耦合计算，由AMEsim提供实时的边界条件，能很好的解决AMEsim中简化模型不合理的情况。但分析可知，在小工况下，三维计算中建模差异导致的误差变化会被放大，而大工况下，该影响虽然会被弱化，但仍然需要进一步改善。根据本文中对某型号喷油器计算结果，提出：在STAR-CCM+中无法实现油嘴密封处的完全关闭对计算结果存在较大的影响，应该找出相应的方法，或者提出较好的方法以解决油嘴完全密封的问题，从而使一维三维耦合计算方法能更好的