ANSYS Forte

ANSYS Forte – специализированный программный модуль для моделирования процессов горения в цилиндрах ДВС.

Проектирование новых высокоэффективных малотоксичных двигателей внутреннего сгорания связано с рядом технических трудностей, и зачастую наибольшую трудность представляет химическая кинетика процессов горения. Поэтому для моделирования работы современных двигателей необходимы правильные химические модели топлива и модели горения. Здесь можно выделить четыре основных элемента:

  1. Исчерпывающие модели топлива, которые точно воспроизводят его химические характеристики.
  2. Подробная химическая кинетика для точного описания таких процессов как воспламенение, распространение пламени и образование загрязняющих веществ.
  3. Модели распыла, не зависящие от сеточного разрешения и не требующие калибровки.
  4. Модели самовоспламенения, позволяющие предсказывать такие сложные явления, как детонация.

ANSYS Forte включает в себя проверенную технологию Model Fuel Library для учёта химической кинетики различных видов топлива и её влияния на процесс горения. Model Fuel Library – это наиболее полная химическая база данных из когда-либо сформированных. Исходно она была разработана компанией Reaction Design, а теперь входит в ANSYS.

Линии тока внутри камеры сгорания ДВС.

В 2005 г. Компания собрала консорциум по моделям топлива (Model Fuels Consortium), состоящий из 20 организаций, в том числе – мировых лидеров в области энергетики и двигателестроения, таких как GM, Toyota и VW. Консорциум проводил исследования по повышению экономичности и экологичности двигателей и топлив при помощи точных моделей топлива и инструментов численного моделирования. Компания Reaction Design объединила данные консорциума и произвела их валидацию, в результате чего получилась библиотека Model Fuel Library – база данных подробных кинетических механизмов для более чем 60 топливных компонентов, в которой отражены все типы реакций, важных для моделирования горения.

Логика подсказывает, что учёт всех этих топливных компонентов и механизмов должен обязательно идти в ущерб скорости счёта, но в данном случае такая логика ошибочна. Компромисс между точностью и скоростью счёта устраняется за счёт применения метода разреженных матриц, золотого стандарта в области моделирования химической кинетики. Численный алгоритм ANSYS Forte производит динамическую кластеризацию ячеек, которая позволяет группировать ячейки с одинаковым термохимическим состоянием на каждом шаге по времени для исключения дублирующихся расчётов. Кроме того, алгоритм Dynamic Adaptive Chemistry автоматически редуцирует кинетический механизм в процессе счёта на каждом временном шаге. Используя минимально необходимую часть кинетического механизма в определённые моменты времени, можно значительно сократить время счёта без потери точности.

Визуализация модуля и векторов скорости в секущей плоскости, проходящей через центр впускного клапана.

Это меняет устоявшееся правило масштабируемости: расчётное время растёт не пропорционально возведённому в куб количеству компонентов, как обычно, а линейно. Это позволяет включить то Моделирование сажеобразования в ANSYS Forte количество реакций, которое необходимо для обеспечения точности, и при этом не проиграть с точки зрения времени вычислений. В расчёт можно включать более подробные и точные модели топлива, при этом время счёта будет сопоставимо со временем счёта на очень сокращённых и неточных моделях.

Дополнительную сложность при моделировании работы ДВС представляет распыл. Выбор модели распыла может в значительной степени влиять как на быстроту получения результатов, так и на их точность.

Визуализация факела распыла и изоповерхности избытка воздуха.

Большинство используемых сегодня моделей распыла имеют высокую чувствительность к сеточному разрешению модели, что приводит к необходимости тратить ценное время на нахождение оптимального сочетания параметров сетки и модели распыла. Проблема здесь заключается в том, что необходимо знать поведение факела распыла в данном конкретном цилиндре для настройки модели распыла. Даже если удаётся откалибровать модель для конкретной сетки, остаётся неясным, насколько эффективной будет эта модель для другой конструкции цилиндра, в результате весь процесс, возможно, придётся повторять. Калибровка модели требует особых знаний и опыта, и это препятствует распространению расчётных методик внутри организации. ANSYS Forte позволяет быстро и легко справиться с моделированием распыла без необходимости трудоёмкой калибровки.

Важным направлением в разработке ДВС является снижение содержания сажи в выхлопных газах для удовлетворения ужесточающихся норм выбросов. Однако известно, что моделирование сажеобразования в традиционном программном обеспечении для численного моделирования затруднительно ввиду высокой сложности физических и химических процессов, отвечающих за образование частиц сажи.

Моделирование сажеобразования является одним из самых сложных аспектов моделирования работы ДВС. Имея точные модели топлива, подробные кинетические механизмы и нечувствительные к сеточному разрешению модели распыла, ANSYS Forte преодолевает препятствия и даёт точное предсказание сажи.

ANSYS Forte предсказывает размер частиц и отслеживает их рост в процессе работы двигателя. Заложенные в программу модели позволяют учитывать образование сажи от различных источников через зародышеобразование, рост, агломерацию и окисление частиц. В результате становится возможным предсказание распределения размера частиц на выходе из двигателя

Не стоит забывать о проблеме стука в двигателе. Он происходит, когда сжатая в высокой степени топливовоздушная смесь в цилиндре самовоспламеняется, либо до, либо после того момента, когда предполагается воспламенение при помощи искры. Искра становится начальным центром воспламенения, после чего быстро переходит в тонкую поверхность пламени, которая движется по камере, сжимая свежую смесь впереди себя. Когда топливовоздушная смесь воспламеняется вне предполагаемого периода зажигания, происходит детонация, или стук. Детонационные режимы ограничивают производительность двигателя и со временем могут привести к его разрушению.

Визуализация факела в начальный момент распыла.

Основными элементами предсказания детонации являются точное моделирование положения и структуры фронта пламени по мере его распространения в камере сгорания, а также учёт кинетики самовоспламенения в свежей смеси. Однако моделирование самовоспламенения в цилиндре труднореализуемо традиционными инструментами CFD, особенно теми, что основываются на избыточном сгущении сетки в области фронта пламени, оставляя в зоне свежей Моделирование сажеобразования является одним из самых сложных аспектов моделирования работы ДВС. Имея точные модели топлива, подробные кинетические механизмы и нечувствительные к сеточному разрешению модели распыла, ANSYS Forte преодолевает препятствия и даёт точное предсказание сажи. Предсказание сажи в ANSYS Forte хорошо согласуется с экспериментом Визуализация факела распыла и изоповерхности избытка воздуха смеси неточную химию и грубую сетку. Поскольку масштаб толщины фронта пламени намного меньше шага сетки, даже при интенсивном сгущении, традиционные CFD-пакеты, опирающиеся на сгущение сетки, требуют для достаточного разрешения структуры пламени огромного количества очень мелких ячеек. Подобные сетки с избыточным количеством мелких ячеек легко могут приводить к необходимости применения очень малых шагов по времени для обеспечения устойчивости, в результате чего время счёта становится недопустимо долгим.

Вместо вычислительно сложных подходов, основанных на сверхподробных сетках, в ANSYS Forte используется проверенные математические модели и численные алгоритмы, такие как модель Discreet Particle Ignition Kernel (DPIK, ядро воспламенения отдельной частицы) или метод трассировки фронта пламени на основе G- уравнения, в результате чего распространение пламени рассчитывается быстро и точно. В сочетании этих моделей с использованием библиотеки подробных кинетических механизмов и специального калькулятора индекса детонации, продукт ANSYS Forte даёт разработчикам ДВС надёжный инструмент для предсказания самовоспламенения и детонации в двигателе при различных условиях работы.