设置发动机模型

Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 包含模型和方法，可用于执行不同类型的缸内模拟。

支持以下模拟类型：
  • 电机驱动测试

    默认情况下，Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 执行电机驱动测试模拟，该模拟涉及对端口和气缸中的瞬态流建模。

    电机驱动测试模拟的目标通常是使滞留空气的质量最大化，以及检查整体运动（旋流和滚流）和此流引入的湍流。

  • 喷雾

    对于喷雾模拟，向发动机气缸内喷射液体燃料。此外，还可以包括初次雾化和二次破碎模型。初次雾化是指在高压下强制液体通过小孔口，导致液滴成为细雾的过程。二次破碎描述了液滴在非均匀表面力的作用下破碎的过程，这些力由液滴相对于空气的运动而引发。

    对于碰撞到壁面上的燃料液滴，可以对发动机壁面上的燃料薄膜的形成和传输进行建模。在 Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 中，此液膜是使用从现有发动机部件表面创建的壳区域进行建模的。

    喷雾模拟的目标通常是检查在预期点火时间（开始燃烧）之前，气缸内燃料蒸发和空气/燃料混合的过程。

  • 燃烧

    Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 用于对液体或气体燃料进行燃烧模拟。气体燃料通过燃烧器端口进入发动机，或者通过进气口与空气预混合。

    燃烧模拟的目标是对发动机性能进行全面预测，包括发动机气缸内的点火机制、火焰传播和扩散燃烧。

    如果主要关注因存在燃烧而产生的效应（如壁面热传递）而不是燃烧过程本身，可以通过分析函数来近似计算燃料燃烧率。此函数可以由实验结果或先前的模拟衍生。

在电机驱动测试、喷雾和燃烧模拟中，可以在模拟中包含重力效应。

默认情况下，Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 根据理想气体方程计算气体密度。或者，可以应用实际气体模型。实际气体模型适用于在跨临界和超临界环境中对高压和低温下的复杂化学燃烧应用场景建模。默认情况下，以多项式的形式将液体燃料密度作为温度的函数进行计算。可以选择改用恒密度。

默认情况下，Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 对用于控制平均流量传输的雷诺平均纳维-斯托克斯方程 (RANS) 进行求解。为了为 RANS 方程提供封闭关系，Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 使用具有全 y + 壁面处理的可实现的 K-Epsilon 两层湍流模型。或者，也可以使用重归一化组 (RNG) 版本的 K-Epsilon 模型，并结合两层全 壁面处理。 y + 如果要对大尺度湍流进行直接求解，并仅对小尺度运动进行建模，则可以运行大涡模拟 (LES)。证明 LES 方法合理的一个理由是，它对湍流的“较少”部分建模，然后明确求解以了解其更多信息，湍流建模假设中的误差并不重要。此外，它假设较小的涡是自相似的，并因此采用更简单且更通用的模型来求解它们。计算开销增加是该方法的弱点。

在求解流体连续体的离散化方程组时，默认情况下 Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 应用 PISO 算法。或者，可以选择应用 SIMPLE 算法。要为模拟选择适当的算法，考虑以下方面：

  • 这两种算法都具有相同的时间精度级别，但是，对于小时间步，PISO 的计算速度比 SIMPLE 快。
  • 对于较大时间步，即当组合的 CFL 数增加到大于 10 的值时，PISO 将变得不稳定。另一方面，SIMPLE 则保持稳定。
  • 随着时间步长增加，SIMPLE 将失去瞬态求解的时间精度。
要设置发动机模型：
  1. 根据要运行的模拟类型，按如下所示设置发动机模型：
    模拟类型 步骤
    电机驱动测试

    （默认）

    		 不需要额外的发动机模型。
    喷雾

    （对于液体燃料）
    1. 右键单击模型节点，然后选择编辑。
    2. 在模型选择对话框中，选择以下模型：
      组合框 模型
      可选模型
      • 喷射

        自动选择多项式燃料密度模型。如果要应用恒定燃料密度，则取消选择多项式燃料密度，并在燃料密度组合框中选择恒定燃料密度。

      • 要考虑液体燃料液滴的二次破碎，选择以下某种模型（每种模型最适合的破碎流态已在括号中注明）：
        • KHRT 破碎（剥离、突变）
        • Reitz-Diwakar 破碎（包、剥离）
      • 要考虑发动机壁面上的液体燃料薄膜的形成和传输，选择液膜。
      • 要获取组分分子结构各异的复杂多组分燃料的液体表面蒸汽压力，选择修正 UNIFAC。
      雾化

      （仅当选择二次破碎模型时）
      • 要考虑可用于模拟从喷嘴喷射器退出的液体射流分解过程的初次雾化，选择 Huh 雾化。
    3. 单击关闭。
    4. 对于 Reith-Diwakar 破碎模型，按如下所示设置模型参数：
      1. 编辑模型 > Reitz-Diwakar 破碎节点。
      2. 在包破碎组合框中，设置以下属性：
        • 最小韦伯数 (WeCrit)
        • 时间尺度系数 (Cb2)
      3. 在剥离破碎组合框中，设置以下属性：
        • 开始系数 (Cs1)
        • 时间尺度系数 (Cs2)

        请参见模型参考 — Reitz-Diwakar 破碎对话框。

      4. 单击应用，然后单击关闭。
    5. 对于 KHRT 破碎模型，按如下所示设置模型参数：
      1. 编辑模型 > KHRT 破碎节点。
      2. 在 KH 破碎组合框中，设置以下属性：
        • 长度系数 (B0)
        • 时间系数 (B1)
        • 法向速度系数 (A1)
      3. 在 RT 破碎组合框中，设置以下属性：
        • 长度系数 (C3)
        • 时间系数 (Ctau)

        请参见模型参考 — KHRT 破碎对话框。

      4. 单击应用，然后单击关闭。
    6. 对于 Huh 雾化模型，按如下所示设置模型参数：
      1. 编辑模型 > Huh 雾化节点。
      2. 在模型参数组合框中，设置以下属性：
        • 雾化长度尺度系数 (C1)
        • 波长尺度系数 (C2)
        • 自发时间尺度系数 (C3)
        • 指数时间尺度系数 (C4)
        • 湍流时间尺度系数 (CA1)
        • 湍流长度尺度系数 (CA2)
        • 破碎率系数 (KA)
        • 法向速度系数
        • 临界韦伯数。

        请参见模型参考 — Huh 雾化对话框。

      3. 单击应用，然后单击关闭。
    燃烧

    （对于液体或气体燃料）

    		 请参见设置用于燃烧模拟的发动机模型。
要包含重力效应：
  1. 编辑模型节点，然后在可选模型组合框中选择重力。
    默认情况下，重力加速度矢量的大小为 9.81 m/s²，并且指向基准坐标系的 Z 轴负方向。
  2. 单击关闭。
  3. 要修改重力加速度矢量，编辑模型 > 重力节点，然后在重力组合框中根据需要设置重力矢量。
    图形窗口将重力矢量显示为黑色箭头。
  4. 单击应用，然后单击关闭。
要应用实际气体模型：
  1. 编辑模型节点，然后在可选模型组合框中选择实际气体。
  2. 单击关闭。
要使用 RNG 版本的 K-Epsilon 湍流模型：
  1. 编辑模型节点，然后在启用模型组合框中，取消选择可实现的 K-Epsilon 两层模型。
  2. 在 K-Epsilon 湍流组合框中，选择 RNG K-Epsilon。
  3. 单击关闭。
要应用大涡模拟技术：
  1. 编辑模型节点，然后在启用模型组合框中取消选择 RANS。
  2. 在湍流组合框中选择 LES。
  3. 单击关闭。
要应用 SIMPLE 算法：
  1. 编辑模型节点，然后在启用模型组合框中取消选择 PISO 非稳态。
  2. 在缸内时间组合框中，选择隐式非稳态。
  3. 单击关闭。
有关更多信息，请参见绘模型参考。