2018 ANSYS名人堂商业类一等奖作品展示与解析

Delphi Technologies

汽油直喷式发动机的尾气排放在很大程度上取决于喷油器设计和喷雾性能。主要挑战在于避免喷油嘴结焦，这不仅会导致更多的尾气排放，并且随着时间推移还会影响发动机的性能。通过使用ANSYS CFD执行高分辨率的大涡仿真，并结合流体体积法实现界面跟踪，工程师能够更好地了解喷嘴流动和喷雾形成过程，从而改善喷嘴设计。

利用动网格VOF LES诊断法研究喷油器结焦以及汽油缸内直喷过程中的PN排放现象

问题：

自2015年9月的“柴油排放门”事件后，汽油缸内直喷（GDI）客车发动机市场正经历着快速、显著的增长阶段。未来几年内这种增长趋势还会继续，因为轻型柴油城市车辆将逐渐被汽油动力车辆所替代。GDI发动机的尾气排放在很大程度上取决于喷油器设计和喷雾性能。主要的研发挑战在于避免喷油嘴结焦，这不仅会导致更多的PN/PM排放，并且还会在整个使用期影响发动机的性能稳定性。此问题与喷油器闭合处发生的高度复杂的多相流现象有关。直到现在尚未出现一种有效的测量技术，可用于分析喷油嘴内部的涡流结构、动力学和空化的相互作用等特性，以及它们对喷雾形成的直接影响。现有的最先进诊断技术只能非常有限地研究喷油器打开和关闭过程中的流动和喷雾现象，而且很难解决喷油器喷嘴周围、喷雾孔中和喷嘴埋头孔中的流动细节问题。

解决方案：

在VOF LES方法中，用于界面跟踪的流体体积（VOF）法与高分辨率大涡仿真（LES）相结合，可求解湍流尺度、与空化的相互作用以及喷嘴附近的喷雾结构。因此，仿真结果可针对喷嘴流和喷雾形成过程提供局部精细的诊断。该信息可用于喷嘴设计调整和喷雾控制。与移动网格仿真相结合时，VOF LES方法可在喷油过程开始和结束时针对动态针阀工作条件提供相应的诊断。它还能够研究多种现象，包括腔填充和腔抽空过程、喷嘴附近的气体夹带和针阀闭合后的燃料吸入现象。所有这些过程都对整个使用期内的发动机排放和排放稳定性具有关键影响。

业务优势：

移动网格VOF LES仿真方法能够更好地替代现有的高级测量技术，用于诊断整个喷油过程中的GDI喷嘴流、空化现象和喷雾动力学。该工具已被用于支持喷嘴研发、创新和客户项目。高分辨率LES技术能够提供物理信息并确定产品设计的有效评估标准。在这个步骤之后，试验设计与优化软件包以及CAE工具集成与仿真流程自动化可多管齐下，以加速产品研发过程。

使用软件：

ANSYS Fluent

Lucy Electric

为解决高电流问题，尤其是在高电压条件下，需要采用一种被称为分隔板的特殊灭弧设备，因为电流会使分离触点之间的绝缘气体具有导电性，从而形成电弧。工程师使用ANSYS Mechanical和电磁仿真来模拟电弧运动，以确定电弧隔板的行为优化分隔板的布局

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