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适用于燃料燃烧应用的仿真技术

2015/12/8    来源:ANSYS    作者:Bernie Rosenthal      
关键字:ANSYS  Reaction Design  仿真  
本文描述了ANSYS借助收购Reaction Design公司能够改进清洁发动机和燃料技术的业界领先的化学求解器,进一步拓宽了ANSYS的仿真解决方案。

    当今的汽车发动机与涡轮机制造商面临着前所未有的巨大压力,他们需要开发和交付更少排放并且性能更高的产品。2014年3月初,美国环保局(EPA)针对机动车辆发布了更严格的新标准,并将其作为旨在减少温室气体排放的现行计划的一部分。忧思科学家联盟(Union of Concerned Scientists)指出,目前道路车辆所产生的一氧化碳和氧化氮占大气中的三分之一,同时还会产生超过20%的导致全球变暖的污染物,而发电是美国全球变暖排放物的最大来源。

 设计能够满足降低温室气体和其它有毒物质排放法定要求的高性能内燃机与燃气轮机可能是目前运输工具制造商和能源生产商所面临的最大挑战。

图1 基于详细燃料化学机制的用于高级3D内燃机设计的FORTÉ CFD套件

图1 基于详细燃料化学机制的用于高级3D内燃机设计的FORTÉ CFD套件

    通过自动执行众多产品和应用中的化学过程分析,Reaction Design公司的产品能帮助设计人员实现其清洁技术目标。该公司在全球拥有400多个客户,其中包括业界领先的内燃机、工业及航空涡轮机制造商、原材料加工商和能源生产商。

 燃烧CFD仿真技术使设计工程师能创建排放更低的燃烧系统,而无需花费数百万美元打造实体模型,也无需进行成本高昂的试错测试。但是,确保仿真技术精确预测现实燃料效果需要采用能表现燃烧物理过程和热力行为的复杂算法。另外,需要详细地了解所用燃料的化学构成和发动机类型。

快速、精确的仿真

 Reaction Design公司的产品旨在最大程度地提高仿真精确性及减少创建完全可行的设计所需的整体时间。燃烧仿真非常有助于设计人员实现设计目标,但前提是建模结果能够真正呈现发动机特征。通过燃烧仿真获得精确结果需要获取在整个发动机工作循环存在巨大变化的物理与化学特性。例如在内燃机中,喷雾分解与蒸发、湍流、点火延迟和火焰传播都是获得有用结果必须进行建模的要素。

 借助大规模并行计算机,采用CFD中接近1亿个单元的计算网格能够详细呈现发动机的几何结构。但是,大多数CFD软件套件所含的化学求解器技术相对于流体计算速度而言仍然比较慢。因此,工程师在燃烧仿真中通常会采用严重缩减的单成分燃料模型。这种简化模型缺乏精确预测关键发动机性能指标所需要的细节,例如:点火延迟、火焰传播、Nox、CO以及PM(煤烟)排放。

 2005年,Reaction Design公司成立了由20个成员组成的模型燃料协会(Model Fuels Consortium),其中包括了能源与发动机制造行业的全球领导者,如:雪佛龙(Chevron)、康菲(ConocoPhillips)、康明斯(Cummins)、陶氏化学公司(Dow Chemical Company)、福特汽车公司(Ford Motor Company)、通用电气能源(GE Energy)、通用汽车(General Motors)、本田(Honda)、法国石油研究院(IFP)、马自达(Mazda)、三菱汽车(Mitsubishi Motors)、日产(Nissan)、橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)、巴西国家石油公司(Petrobras)、PSA标志雪铁龙(PSA Peugeot Citroën)、沙特阿美石油公司(Saudi Aramco)、铃木(Suzuki)、丰田(Toyota)以及大众(Volkswagen)。该协会旨在利用软件仿真与建模技术中化学特性精确的燃料成分模型以更低的成本迅速设计出更清洁且更高效的发动机与燃料。

图2 模型燃料库具有40多个经过验证的燃料成分模型

图2 模型燃料库具有40多个经过验证的燃料成分模型

责任编辑:吴星星
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