求解分析

Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 可用于在模拟运行时和模拟完成后分析 ICE 模拟的求解。

要查看模拟进度,通常在运行模拟之前创建和打开后处理对象。

Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 提供后处理对象的以下分类:

对于所有类别,提供了显示特定物理量的多个预定义对象。这些对象的可用性因选定的发动机模型、指定的材料和创建的发动机部件而异。

注在绘图和报告中,“气缸”一词指的是气缸的体积和气缸上的任何附件,但不包括端口。此体积受阀门挡板交界面限制。

绘图

Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 提供三种二维绘图:

  • 监视图 - 将监视器收集的特定值显示为曲柄角度的函数。
  • 直方图 - 使用条形图显示数据分布。
  • XY 绘图 - 显示模拟中求解数据的图。

有关更多信息,请参见绘图。

监视器绘图
监视器绘图以循环方式显示受监视的值。连续循环的结果将重叠在同一绘图上,这意味着可以看到循环收敛或接近可重复结果的趋势。
可使用以下监视器绘图:
缸内 - 气缸
  • 气缸:空气/燃料当量比 - 绘制 AFR 与化学计量 A/F 比率 AFRstoich 之间的比率,请参见材料对话框。
  • 气缸:空气/燃料比率 - 绘制气缸内的空气质量分数的质量平均值与燃料蒸汽质量分数的质量平均值之间的比率 。 AFR 对于燃料蒸汽的质量分数 ≤ 1.0E-10,Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 会将空气/燃料比限制为 1000 的值。绘图中显示的最大值默认为 100。
  • 气缸:空气质量分数平均值 - 绘制气缸内的空气质量分数的质量平均值。
  • 气缸:表面放热率 - 绘制由 Eqn. (607) 给出的气缸内的表面放热率。
  • 气缸:化学放热率 - 绘制气缸内的化学放热率。

    对于 ECFM 燃烧模型,它计算为气缸中以下物理量的体积积分之和:

    对于复杂化学燃烧模型,它计算为气缸中化学热释放率的体积积分。

  • 气缸:累积表观放热 - 绘制气缸的时间积分:自模拟开始时的表观热释放率。
  • 气缸:累积化学放热 - 绘制气缸的时间积分:自模拟开始时的化学放热率。
  • 气缸:循环表观放热 - 绘制气缸的时间积分:循环方式的表观热释放率。
  • 气缸:循环化学放热 - 绘制气缸的时间积分:循环方式的化学放热率。
  • 气缸:燃料/空气当量比 - 绘制 FAR 与化学计量燃料/空气比率之间的比率,计算如下:FAR⋅AFRstoich。
  • 气缸:燃料/空气比率 - 绘制气缸内的燃料蒸汽质量分数的质量平均值与空气质量分数的质量平均值之间的比率 。 FAR 如果空气质量分数的质量平均值低于 1.0E-10,则将比率设为 1。
  • 气缸:燃料质量分数平均值 - 绘制气缸内的燃料蒸汽质量分数的质量平均值。
  • 气缸:指示平均有效压力* - 对净指示平均有效压力 (IMEP) 绘图,该压力由 Eqn. (610) 得出。
  • 气缸:质量 - 绘制气缸中的气体质量,其中质量计算为气缸密度的体积积分。
  • 气缸:压力 - 绘制气缸中绝对压力的体积平均。
  • 气缸:旋流 - 绘制气缸中的旋流。
  • 气缸:温度 - 绘制气缸内温度的质量平均值。
  • 气缸:滚流 - X - 绘制气缸中的交叉滚流。
  • 气缸:滚流 - Y - 绘制气缸中的主要滚流。
  • 气缸:湍动能 - 绘制气缸中湍动能的质量平均值。
  • 气缸:体积 - 绘制气缸的体积。
缸内 - 充气室
  • 充气室:[边界] 质量流率 - 绘制充气室边界上的质量流率图。
  • 充气室:[边界] 压力 - 绘制充气室边界上绝对压力的表面平均值。
  • 充气室:[边界]温度 - 绘制整个充气室边界上的表面平均温度。
缸内 - 排放
  • 气缸:CO 排放* - 以每百万的部件数 (ppm) 为单位对气缸中的 CO 质量分数绘图。
  • 气缸:CO 排放质量流率* - 以 g/hr 为单位对穿过气缸的 CO 的质量绘图。
  • 气缸:CO 排放摩尔* - 以 ppm 为单位对气缸中的 CO 摩尔分数绘图。
  • 气缸:氮氧化物排放* - 以 ppm 为单位对气缸中的氮氧化物(一氧化二氮、二氧化氮和一氧化氮)质量分数绘图。
  • 气缸:氮氧化物排放质量流率* - 以 g/hr 为单位对穿过气缸的氮氧化物的质量绘图。
  • 气缸:氮氧化物排放摩尔* - 以 ppm 为单位对气缸中的氮氧化物摩尔分数绘图。
  • 气缸:比 CO 排放* - 以 g/kWhr 为单位对单位净指示功的一氧化碳质量绘图,该质量由 Eqn. (612) 得出。
  • 气缸:比氮氧化物排放* - 以 g/kWhr 为单位对单位净指示功的氮氧化物质量绘图,该质量由 Eqn. (612) 得出。
缸内 - 喷射
  • 燃料质量追踪 - 绘制在气缸、孔口和充气室内求值的以下物理量:
    • 燃料质量(总计) - 燃料的总质量(液滴、蒸汽和液膜)
    • 燃料质量(液体) - 喷射的和从液膜剥离的燃料液滴的质量
    • 燃料质量(蒸汽)- 从液滴蒸发的燃料质量。
    • 燃料质量(液膜) - 液滴在发动机壁面上碰撞而形成液膜的质量。此值由发动机壁面上燃料密度的体积积分计算得出。
    • [喷射器]:燃料质量(液体) - 从[喷射器]喷射的燃料液滴的质量
    • 剥离薄膜:燃料质量(液体)— 从液膜剥离的燃料液滴的质量。
  • [喷射器]:喷射速度 - 针对[喷射器]的每个喷孔,绘制喷射液滴的初速度图。
  • [喷射器]:液体喷射渗透 - 针对[喷射器]的每个喷孔,绘制包含喷射液滴中 95% 质量的距离间隔(从喷射点起测量)。请参见渗透 - 粒子束和蒸汽。
  • [喷射器]:蒸汽喷射渗透 - 针对[喷射器]的每个喷孔,绘制包含喷射液滴所产生蒸汽中 95% 质量的距离间隔(从喷射点起测量)。
  • 最大液膜厚度 - 绘制通过燃料液滴碰撞发动机壁面形成的液膜的最大厚度。
  • 平均喷射速度 - 绘制喷射液滴的平均初始速度。对于单脉冲喷射,根据从喷射开始 (SOI) 到喷射结束 (EOI) 所喷射的总燃料质量来计算此值。对于多脉冲喷射,根据在每个喷射脉冲期间喷射的总燃料质量来计算此值。
  • 燃料粒子束计数 - 绘制发动机内的燃料粒子束数量,其中一个粒子束表示属性相同的燃料液滴的局部组。请参见什么是粒子束?。
  • Sauter 平均直径 - 绘制发动机内燃料液滴的 Sauter 平均直径。
缸内 - 中间体
气缸:Gamma 质量平均值 - 绘制气缸内比热比的质量平均值。
缸内 - 孔口和阀
  • 排气/进气口:质量流率 - 针对每个排气口/进气口,绘制在每个单位时间内通过出口/入口的气体的质量。
  • 排气/进气口:压力 - 针对每个排气口/进气口,绘制出口/入口的绝对压力的表面平均。
  • 排气/进气口:温度 - 针对每个排气口/进气口,绘制出口/入口温度的表面平均。
  • 被监视的阀门升程 - 绘制模拟期间每个阀门的实际升程。指定的闭合容差将下限设为已应用的阀升程。
缸内 - 求解
  • 气缸:网格单元计数 - 绘制气缸体网格中的网格单元总数。
  • 充气室:网格单元计数 - 绘制充气室体网格中的网格单元总数。
  • 累积 CPU 时间 - 绘制所有进程从模拟开始时间起运行模拟的累积 CPU 时间。
  • 累积运行时间 - 绘制求解器从模拟开始时间起运行模拟所用的累积时间。
  • PISO 修正器 - 绘制每个时间步内的 PISO 修正器步数。
  • 时间步 - 绘制模拟期间实际时间步长。
累积 CPU 时间、累积计算时间和 PISO 修正器绘图不以循环方式而是以连续方式显示相应的值。
缸内 - 壁面
  • 气缸:壁面 Y+ - 对于气缸内建模为壁面的每个发动机部件表面,绘制无量纲壁面距离(由 Eqn. (1569) 给出)的表面平均值 。 y +
  • 充气室:壁面 Y+ - 对于充气室内建模为壁面的每个发动机部件表面,绘制无量纲壁面距离 y + (由 Eqn. (1569) 给出)的表面平均值。
  • 壁面 Y+ 最小值/最大值 - 绘制气缸或充气室内无量纲壁面距离 y + 的最小值和最大值。
* 对于每次循环,IMEP 和排放绘图用于计算排气阀打开 (EVO) 之前 0.1 度处的相应值。如果模拟在循环中的该点之前结束,则会计算模拟结束时的值。

例如,以下绘图显示气缸:湍流动能,用于运行三个循环的模拟:

示例:

直方图
可使用以下直方图:
缸内 - 喷射
液滴直径直方图 - 显示发动机内燃料的液滴直径分布:
示例:

颗粒直径在横坐标上按离散间隔显示。出现频率(即颗粒计数)在纵坐标上显示。
默认情况下,横坐标的最大值固定为喷射器喷嘴的最大液压直径的一半。
缸内 - 气缸
气缸:燃烧质量分数(表观)/(化学)- 显示在指定燃烧间隔内达到 10%、50% 和 90% 的表观/化学放热并且持续时间为 10%-90% 时的曲柄角度的分布。

示例:



XY 绘图
可使用以下 XY 绘图:
缸内 - 气缸
PV 图表 - 将气缸压力按对数标尺显示为气缸体积的函数。
示例:

缸内 - 喷射
  • [喷射器]:液滴直径 - 将导入的[喷射器]液滴直径分布显示为累积分布函数 (CDF) 或概率密度函数 (PDF)。
  • [喷射器]:燃料温度 - 将导入的[喷射器]燃料温度显示为时间或曲柄角度的函数。
  • [喷射器]:质量流率 - 将导入的[喷射器]燃料质量流率显示为时间或曲柄角度的函数。
缸内 - 孔口和阀
  • 入口/出口边界条件分布 - 对于每个入口/出口,绘制绝对压力和温度的已导入边界条件分布。
  • 阀门升程 - 将每个阀的导入阀门升程曲线显示为时间或曲柄角度的函数。
缸内 - 求解
时间步预览 - 在模拟期间将应用的时间步长和阀门升程曲线的预览显示为曲柄角度的函数。

报告

报告呈现了当前模拟或 CPU 数据的计算总结。运行报告返回单值。有关更多信息,请参见报告结果。

对于每个监视器图,Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 提供返回相应值的报告。另外可使用以下报告:

缸内 - CHT 导出
  • CHTExport:上一次映射角度 - 返回从发动机壁到壳区域执行上一次数据映射的曲柄角度。
  • CHTExport:映射角度 - 返回执行下一次数据映射的曲柄角度。
  • CHTExport:映射增量角度 - 返回映射数据的映射间隔。
  • CHTExport:实际起始角 - 返回执行第一次数据映射的曲柄角度。
缸内 - 气缸
  • 气缸:压缩率 - 返回 BTD 处气缸的体积与 TDC 处相应体积之比,使用 Eqn. (545)。
  • 气缸:位移 - 返回活塞从 TDC 移到 BDC 时发生位移的体积,使用 Eqn. (544)。
  • 气缸:燃料分子量平均 - 返回气缸中燃料分子量的质量平均值。
  • 气缸:气缸压力峰值 - 返回模拟期间气缸内绝对压力的体积平均的最大值。
  • 气缸:活塞延伸比 - 返回当前活塞 z-位置与最后一次网格重构后的活塞 z-位置之比。
  • 气缸:活塞 Z - 返回使用 Eqn. (528) 的活塞 z-位置。
  • 气缸:化学计量 A/F 比率平均 - 返回化学计量 A/F 比率 AFRstoich,请参见材料对话框。
  • 气缸:缸内进气量 - 返回进气阀关闭 (IVC) 时气缸的缸内进气量。对于电机驱动测试模拟,此值的计算结果为气缸内密度的体积平均值。对于电荷运动模拟,此值的计算结果为气缸内密度与空隙率乘积的体积平均值。空隙率是可用于流体(未被固相或离散相所占)的网格单元体积分数。
缸内 - 排放
  • 气缸:CO 质量分数 - 返回气缸内的 CO 质量分数的质量平均值。
  • 气缸:CO 摩尔分数 - 返回气缸内的 CO 摩尔分数的质量平均值。
  • 气缸:NOx 质量分数 - 返回气缸内的 NOx 质量分数的质量平均值。
  • 气缸:NOx 摩尔分数 - 返回气缸内的 NOx 摩尔分数的质量平均值。
缸内 - 喷射
  • [喷射器]:喷射的开始/结束 - 返回[喷射器]开始/结束喷射燃料时的曲柄角度。相应的曲柄角度根据导入的质量流率表计算得出,该表中考虑了指定喷射锚点和喷射目标给定的可选偏移。有关更多信息,请参见喷射器对话框。
缸内 - 中间体
提供定义其他报告所需的各种中间报告。
缸内 - 孔口和阀
  • 排气/进气阀 [n]: 实际速度 - 返回排气/进气阀 [n] 的实际速度,计算为被监视的阀门升程的时间导数。指定的闭合容差将对阀门升程设置下限。
  • 排气/进气阀 [n]: 挡板交界面面相交容差 - 返回在排气/进气阀 [n] 的阀门挡板交界面处使用的相交容差。相交容差限制交界面一侧的节点匹配交界面另一侧的节点、边和面可以移动的距离。
  • 排气/进气阀 [n]: 位移 - 返回排气/进气阀 [n] 的 z-位置减去其闭合容差。
  • 排气/进气阀 [n]: 升程闭合检查 - 当排气/进气阀 [n] 关闭,即当阀门的 z-位置小于等于其闭合容差时,返回 0,否则返回 1。
  • 排气/进气阀 [n]: 延伸比 - 返回排气/进气阀 [n] 的当前升程与最后一次网格重构后的阀门升程之比。
  • 排气/进气阀 [n]: Z - 返回排气/进气阀 [n] 的 z-位置。
缸内 - 网格重构度量
  • 缸内坏面有效性网格重构报告 - 返回满足有效的面准则的网格单元数。
  • 缸内坏变形网格单元网格重构报告 - 返回满足坏变形网格单元准则的网格单元数。
  • 缸内变形网格重构报告 - 如果满足任何重构准则,返回 1;否则返回 0。
  • 缸内偏斜网格重构报告 - 返回满足网格单元偏斜准则的网格单元数。
  • 网格单元最低质量 - 返回体网格的最小网格单元质量。
缸内 - 求解
  • 曲柄角度 - 返回累积曲柄角度。
  • 曲柄角度:degCA - 以循环时间单位返回累积曲柄角度 (degCA)。
  • 曲柄角度循环 - 返回循环包面曲柄角度(重复 0 到循环长度)。
  • 曲柄角度循环:degCA - 以循环时间单位返回循环包面曲柄角度(重复 0 到循环长度)。
  • 循环长度 - 以度为单位返回循环长度,如四冲程发动机为 720 度。
  • 循环长度:degCA - 以循环时间单位返回循环长度,如四冲程发动机为 720 degCA。
  • 循环编号 - 返回当前循环的编号。
  • 每个循环的转数 - 返回每个循环的转数,如四冲程发动机为 2。

场景

场景用于可视化模拟中包含的几何、网格和求解数据。

场景包含生成图像或动画所需的组件的完整表示。在场景中,显示器将部件和其他属性(如标量和表面属性)放在一起,以生成在场景中显示的原始图形。有关更多信息,请参见可视化求解。

Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 提供了许多预定义场景。这些场景可用于检查特定求解场,可在这些求解场中得出有关发动机性能的结论。

可使用以下预定义场景:

  • 绝对压力
  • CHT 导出
  • 液膜厚度
  • 燃料分布
  • 温度
  • 湍动能
  • 速度幅值

燃料分布场景用于可视化空气-燃料混合物比率的多个定义。对于每个定义,场景提供特定的显示器,其中可以根据需要切换每个显示器的可见性。

可用的定义包括:

  • 空气/燃料比率 - 空气质量分数与燃料蒸汽质量分数之间的比率。对于燃料蒸汽的质量分数 ≤ 1.0E-10,Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 会将空气/燃料比限制为 1000 的值。
  • 空气/燃料当量比 - 空气/燃料比率与化学计量 A/F 比率 AFRstoich 之比,请参见材料对话框。
  • 燃料/空气比率 - 燃料蒸汽质量分数与空气质量分数之间的比率。对于质量分数 ≤ 1.0E-10 的空气,燃料/空气比率限制为值 1。
  • 燃料/空气当量比 - 燃料/空气比率与化学计量燃料/空气比率之间的比率,计算为燃料/空气比率与 的乘积。AFRstoich

对于电荷运动和燃烧模拟,所有预定义的场景都会额外显示发动机内喷射的燃料粒子束。对于粒子束,Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 默认可视化颗粒直径。粒子束的屏幕显示大小可根据颗粒直径而缩放,其中颗粒直径范围映射到相对于网格尺寸的物理尺寸范围 [1.0E-4 m; 4.0E-4 m]。有关更多信息,请参见点尺寸缩放场。

液膜厚度场景显示发动机壁上的液膜厚度。CHT 导出场景显示发动机壁面上的循环平均局部热传递参考温度。所有其他场景均显示穿过一个进气阀和一个排气阀且垂直于 Y 方向的平面截面上相应的求解场。例如,下图显示了电机驱动测试模拟中的速度幅值场景:



要访问发动机域的其他区域中的求解数据,Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 提供以下额外平面截面:

  • 气缸中心 X 平面
  • 气缸中心 Y 平面
  • 气缸中心 Z 平面
  • 排气阀 1 X 截面
  • 进气阀 1 X 截面
  • 进气阀 1 Y 截面
  • 进气阀 2 Y 截面

下图分别显示具有两个进气阀和排气阀的发动机的不同平面截面的位置和方向:



对于气缸扇区模型,Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 提供以下平面截面:

  • 喷射器 X 轴平面
  • 喷射器 Y 轴平面
  • 扇区 XZ 平面

喷射器 X 轴平面和喷射器 Y 轴平面的位置和方向取决于喷射器位置、原点和目标。下图显示气缸扇区模型的不同平面截面:



此外,Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 还可用于在气缸和阀表面上显示标量场。

对于 Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 中的所有预定义场景,可以根据需要切换显示器及其部件的可见性。不支持从显示器移除部件 - 当重新载入模拟时,Simcenter STAR-CCM+ In-cylinder 自动恢复移除的部件。