GT-POWER基本培训教程[1]

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ŠGT-POWER的总体功能及特点。ŠGT-POWER的理论基础。ŠGT-POWER中的模块。ŠGT-POWER的计算结果后处理。ŠGT-POWER的实际算例。CD-adapcoJAPANCo.,LTDGT-POWER总体功能及特点CD-adapcoJAPANCo.,LTDGT-POWER的背景ŠGT-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。ŠGT-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。ŠGT-SUITE软件使用方便、功能强大，在同类软件中居于领先地位。ŠGT-POWER是GT-SUITE系列软件中昀著名的一个软件。CD-adapcoJAPANCo.,LTD应用范围Š火花塞点火式内燃机。Š压燃式内燃机。Š二冲程/四冲程内燃机。Š单缸、多缸内燃机。Š直列、V型内燃机。Š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）Š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Š进排气歧管设计和调整Š气门升程曲线和正时的优化Š涡轮增压器，废气旁通阀匹配ŠEGR系统管道内的流动Š流动三维的研究（与STAR-CD耦合计算）Š气缸部件的热分析，歧管壁面温度计算Š燃烧分析，计算压力，温度，放热率曲线等Š污染物的排放分析（NOx和碳烟等）Š排气制动CD-adapcoJAPANCo.,LTD瞬态工作过程模拟Š气缸部件的热分析Š排气歧管的温度变化Š瞬态空燃比Š增压器的响应Š进排气的噪声Š谐振器与消音器的设计Š进排气及消音器的压力损失CD-adapcoJAPANCo.,LTD软件操作方法ŠGT-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。Š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。ŠGT-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：Š网格划分（离散化）。Š流量系数。Š管接头的设置。Š内燃机燃烧模型。Š温度和传热。ŠGT-POWER的文件系统。CD-adapcoJAPANCo.,LTD网格划分（离散化）（1/3）ŠGT-POWER采用的是一维交错网格，如下图所示。Š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）Š网格的粗细（离散化长度）由用户定义。Š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Š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。Š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）Š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；Š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）Š以下要特别注意：Š当两面积满足下式时：Š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）Š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。ŠGT-POWER根据COURANT数选择合适的时间步长，以维持计算的稳定。ŠCOURANT数通常不大于0.8，用户也可调整该值。CD-adapcoJAPANCo.,LTD流量系数ŠGT-POWER的流量系数CD：CD=有效通流面积/参考通流面积Š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。Š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：Š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。Š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。Š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）Š各个端口需要设置相对于X、Y、Z三个坐标轴的角度。Š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。Š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。Š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：Š利用试验得到的放热率曲线，使缸内燃烧与之一致。ŠWiebe函数模型。Š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Š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)Š利用试验得到的放热率曲线，使缸内燃烧与之一致。ŠWiebe函数模型。Š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ŠGDI—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Š用户燃烧模型。CD-adapcoJAPANCo.,LTD温度和传热（1/2）Š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。Š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。Š管壁的温度可由用户指定，也可通过设置传热模型求解。Š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：ŠFilename.gto：模型数据库文件。ŠFilename.gtm：用户建立的模型图文件。ŠFilename.dat：求解器自动调用的文件，对应于用户建立的模型图。ŠFilename.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：ŠFlow：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，ŠMechanical：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。ŠThermal：附加的一些热计算模块。如有限元热计算模块等。ŠElectrical：与电、磁有关的模块。如电动机、电池、电磁阀等。ŠControl：与控制系统有关的模块。如PID、传感器等。ŠAnalysis：与数据分析有关的模块。如FFT、监视器等。ŠGeneral：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：ŠComponent：基本模块。用于描述物理、化学现象的基本模块。ŠCompound：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。ŠConnection：连接模块。在GT-SUITE中规定——任何Component和Compound之间都需要由Connection连接。ŠReference：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。Š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：Š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。Š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。Š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：Š具体数值。Š“ign”：该参数忽略。Š“def”：该参数使用GT-POWER的缺省值。Š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。Š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：Š“CaseLegend”：算例的说明。Š仿真时间控制：根据时间、循环数等控制。Š求解方法：显式格式、隐式格式。Š流动求解控制：壁温、摩擦等的控制。Š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）。Š输出参数：控制输出