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GTGTGT---POWERPOWERPOWER培训教程培训教程培训教程内燃机性能仿真软件基本培训宋波CD-adapcoJAPANCo.,LTDCD-adapcoJAPANCo.,LTD培训内容GT-POWER的总体功能及特点。GT-POWER的理论基础。GT-POWER中的模块。GT-POWER的计算结果后处理。GT-POWER的实际算例。CD-adapcoJAPANCo.,LTDGT-POWER总体功能及特点CD-adapcoJAPANCo.,LTDGT-POWER的背景GT-SUITE是汽车,内燃机及零部件的模拟软件。涵盖了汽车,内燃机、冷却系统、燃油供给系统、曲轴机构、配气机构等六个方面,是汽车厂和内燃机制造公司理想的CAE工具。GT-SUITE的开发者是美国的GammaTechnologies公司,CD-adapco,JAPAN负责亚太地区的技术和销售。北京办事处主要为中国的GT-SUITE用户提供及时、准确的技术支持。GT-SUITE软件使用方便、功能强大,在同类软件中居于领先地位。GT-POWER是GT-SUITE系列软件中昀著名的一个软件。CD-adapcoJAPANCo.,LTD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:¾涡轮增压¾机械增压¾多级增压¾相继涡轮增压(STC)还可以实现:¾均质充量压燃式内燃机(HCCI)¾缸内直喷汽油机(GDI)¾自由活塞内燃机CD-adapcoJAPANCo.,LTD典型的内燃机结构简图CD-adapcoJAPANCo.,LTD稳态工作过程模拟进排气歧管设计和调整气门升程曲线和正时的优化涡轮增压器,废气旁通阀匹配EGR系统管道内的流动流动三维的研究(与STAR-CD耦合计算)气缸部件的热分析,歧管壁面温度计算燃烧分析,计算压力,温度,放热率曲线等污染物的排放分析(NOx和碳烟等)排气制动CD-adapcoJAPANCo.,LTD瞬态工作过程模拟气缸部件的热分析排气歧管的温度变化瞬态空燃比增压器的响应进排气的噪声谐振器与消音器的设计进排气及消音器的压力损失CD-adapcoJAPANCo.,LTD软件操作方法GT-POWER是基于面向对象的交互式界面,GT-SUITE的所有软件拥有相同的软件界面——GT-ISE。从模型图的建立、运行,到数据的后处理,GT-POWER的操作都是在GT-ISE中进行,使用方法简便、高效。GT-POWER的界面如下图所示,主要组成部分包括:菜单、按钮、窗口、建模区域、数据库、模块管理器等,与常见的Windows界面类似,符合大多数用户的操作习惯。CD-adapcoJAPANCo.,LTDCD-adapcoJAPANCo.,LTDGT-POWER计算流程打开GT-ISE建立GT-POWER模型设置模型参数后处理运行计算结束内燃机结构进入GT-POWERYNCD-adapcoJAPANCo.,LTDGT-POWER理论基础CD-adapcoJAPANCo.,LTDGT-POWER的理论基础GT-POWER牵涉到流体流动计算、传热传质模拟、燃烧过程模拟,控制仿真等方面内容,主要的理论基础如下:网格划分(离散化)。流量系数。管接头的设置。内燃机燃烧模型。温度和传热。GT-POWER的文件系统。CD-adapcoJAPANCo.,LTD网格划分(离散化)(1/3)GT-POWER采用的是一维交错网格,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,如速度、质量流量等。CD-adapcoJAPANCo.,LTD网格划分(离散化)(2/3)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:¾进气系统:离散化长度≈0.4×缸径¾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。CD-adapcoJAPANCo.,LTD网格划分(离散化)对于锥形管的离散,当锥形管满足以下条件之一时:当锥管长度小于离散长度时锥角大于15度时;可以不考虑锥形管的形状,而以直管代替。CD-adapcoJAPANCo.,LTD网格划分(离散化)以下要特别注意:当两面积满足下式时:离散长度推荐为:注:一般不推荐25.12≥⎟⎠⎞⎜⎝⎛IcDD5.0)1(*236.4−⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=IcDDceilingLdxCD-adapcoJAPANCo.,LTD网格划分(离散化)(3/3)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。COURANT数通常不大于0.8,用户也可调整该值。CD-adapcoJAPANCo.,LTD流量系数GT-POWER的流量系数CD:CD=有效通流面积/参考通流面积参考通流面积通常与阀门、节流口的直径有关,由用户根据实际情况确定。参考通流面积可以是定值或变值:¾通流面积为定值:零升程时,流量系数为零。¾通流面积为变值:零升程时,流量系数大于零。CD-adapcoJAPANCo.,LTD管接头的设置(1/2)管接头部分有着复杂的流动情况,为了尽可能准确地描述此处的流动,GT-POWER引入了三个概念:膨胀直径(ExpansionDiameter):流体进入管接头后所能达到的直径。主要用于计算流量系数和能量损失。特征长度(CharacteristicLength):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。管接头各端口的空间角度,如下页所示。图中的α、β、γ分别是端口P对应于X、Y、Z轴的夹角。CD-adapcoJAPANCo.,LTD管接头各端口的空间角度CD-adapcoJAPANCo.,LTD管接头的设置(2/2)各个端口需要设置相对于X、Y、Z三个坐标轴的角度。坐标系为当地坐标系,角度为空间夹角,因此角度的变化范围是0°到180°,角度的正值与负值没有区别。在GT-POWERv6.1中,用户可以使用管接头的三维编辑和效果显示功能,如下页所示。计算角度时,为了方便计算,可以从管接头中心向各端口作一矢量,当然各端口同时指向管接头中心也可以。CD-adapcoJAPANCo.,LTD管接头属性编辑界面CD-adapcoJAPANCo.,LTD内燃机燃烧模型(1/2)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。准三维喷雾模型。¾将雾束区域分为500个区域¾模拟贯穿,破碎,混合,蒸发,点火,燃烧用户燃烧模型。CD-adapcoJAPANCo.,LTD内燃机燃烧模型(2/2)汽油机燃烧模型(忽略)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。准三维湍流火焰模型。¾在火花塞附近产生的是球形火焰,与燃烧室结构互相作用¾通过缸内湍流计算火焰速度GDI—直喷式汽油机。¾模拟过程更加复杂(喷射,蒸发,混合)¾需要单独模型用户燃烧模型。CD-adapcoJAPANCo.,LTD温度和传热(1/2)缸壁温度:¾TWall:指定气缸、活塞、缸壁的平均温度。¾TWallDetail:将气缸内部分成更多的区,独立设置传热系数。¾TWallSoln: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,如果用户没有气缸温度的数据,我们推荐:气缸头为550~600K,活塞为550~600K,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。CD-adapcoJAPANCo.,LTD温度和传热(2/2)CD-adapcoJAPANCo.,LTDGT-POWER的文件系统GT-POWER根据后縀名管理文件: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。CD-adapcoJAPANCo.,LTDGT-POWER的模块CD-adapcoJAPANCo.,LTD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使用频率昀高的一类模块,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等。Thermal:附加的一些热计算模块。如有限元热计算模块等。Electrical:与电、磁有关的模块。如电动机、电池、电磁阀等。Control:与控制系统有关的模块。如PID、传感器等。Analysis:与数据分析有关的模块。如FFT、监视器等。General:通用的模块。如各种循环工况的速度曲线,数据表等。CD-adapcoJAPANCo.,LTD模块的分类标准在GT-POWER数据库的每一大类中,模块根据如下规则主要分为四类:Component:基本模块。用于描述物理、化学现象的基本模块。Compound:复合模块。由Component和Connection等组成的模块封装。GT-POWER将一些常见的复杂结构表示为一个模块,如内燃机机体、车体等,节省了用户的建模时间。Connection:连接模块。在GT-SUITE中规定——任何Component和Compound之间都需要由Connection连接。Reference:参考模块。主要是计算模块和内置数据,如燃烧模块、材料的特性数据等。还有另外几个小类:Control/Analysis、Sensor/Actuator等。CD-adapcoJAPANCo.,LTD模块所处状态的层次结构(1/2)模块在建模时是以不同的状态出现的,为了方便管理,主要为三层结构:模板(Template):这是模块的原始状态,出现在数据库中,没有具体参数。实体(Object):有具体参数的模块,而且该模块用于管理一批类似结构的部件。部件(Part):出现在建模区模块图上的模块,这是实际物理存在的模块,而不是概念。部件继承了它的实体的属性,部分参数可以重载(Override),使其具有区别与实体的属性。CD-adapcoJAPANCo.,LTD模块所处状态的层次结构(2/2)模板实体1部件1实体2部件2部件3…………CD-adapcoJAPANCo.,LTD模块参数的设置(1/2)GT-POWER有关参数设置的几个概念:具体数值。“ign”:该参数忽略。“def”:该参数使用GT-POWER的缺省值。普通变量:将变量名置于方括号中,如[para],在“CaseSetup”中输入具体的数值或引用参考模块等其它对象。指针变量:直接输入变量名,此时变量名为绿色,此类变量直接指向参考模块等其它对象。CD-adapcoJAPANCo.,LTD模块参数的设置(2/2)CD-adapcoJAPANCo.,LTD运行参数的设置在运行GT-POWER计算前,还需在“RunSetup”进行运行参数的设置,主要包括:“CaseLegend”:算例的说明。仿真时间控制:根据时间、循环数等控制。求解方法:显式格式、隐式格式。流动求解控制:壁温、摩擦等的控制。收敛控制:判断流动是否达到收敛精度要求,用户可附加收敛条件(如内燃机的转速等)。输出参数:控制输出
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