IC Engine System - Ansys

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The Workbench IC Engine system uses a well-tested subset of Fluent features ... Supported on Windows and Linux platforms. • Standard ... type simulations based on the best practices. – including ... Set up the default monitors. – Initialize and ...
IC Engine System

Presented By ANSYS Inc.

Outline • Background and Motivation • IC Engine System • • • • • •

• • •

Introduction Scope Properties Work flow for cold flow and port flow simulations Advanced setup/customization Other useful features

Demo Future Plans Summary

Among internal combustion engine CFD applications,  in‐cylinder flow is of central importance in determining  engine efficiency and emissions

Exhaust

In-Cylinder

Turbocharging

Intake

Fuel Supply

Pumps

Cooling Jacket

Lubrication

Recent ANSYS Progress in IC Engine Modeling • Continuous progress with each Fluent release bringing  advancements in physics and meshing Fluent R14

Fluent R12

Aftertreatment: selective  catalytic reduction, catalytic  converter light off Combustion: G‐eqn Multiphase: SSD

IC engine report, IC specific  vaporization laws, coherent flamelet model, EGR,  ignition UDF

2009

2010

2011

Fluent R13 Key‐frame mesh, mesh smoothing, DPM and combustion extensions:  multiple spark model, Veynante ECFM  for LES, KHRT break‐up model, 

* The Workbench IC Engine system uses a well‐tested subset of Fluent features

2012 Fluent R14.5 Sprays: spray angle vs. crank angle,   cone injection sector meshes Mesh related: 2nd order in time MDM,  contact detection, cutcell w. BL remesh

Motivation  Mesh Creation Geometry  Decomposition 

IC Engine  Geometry 

Solver Setup

• Manual Approach for                           simulating in‐cylinder flow – Gather the required user input needed to accurately model the   user’s specific engine. WB‐ICE tool – Prepare the Geometry and Mesh: Perform following operations semi‐ automatically   • Decompose the geometry in a manner suitable for modeling the  motion of valves and piston and then create the mesh Geometry  Solver Setup • Manually decomposing the geometry and meshing takes  Decomposition  between 6 hours and a couple of days, depending on experience Mesh Creation • Learning curve for manual geometry decomposition and meshing  is very steep!! – Set‐up  and run the simulation:  • Setting up the case requires knowledge of models like dynamic  mesh, reacting flows, discrete‐phase etc. – Analyze and interpret results

IC Engine  Results 

Automatic  Report  Generation 

IC Engine System: Introduction • IC Engine System • A new Workbench Analysis System  similar to Fluid‐Flow(Fluent) or  Fluid‐Flow (CFX) Analysis Systems • Reduces the setup time of ICE cold  flow and port flow problems from  many hours to few minutes • First released ANSYS R14 • Supported on Windows and Linux  platforms • Standard feature included with  ANSYS FLUENT

Scope of IC Engine System • Automated geometry preparation and mesh generation  for all 4 stroke engines – any number of valves – all standard shapes of piston at the given crank angle • Automated case setup for “cold‐flow” and “port‐flow”  type simulations based on the best practices – including mesh motion • User hooks for complex physics setup, e.g. spray injection,  combustion simulation • Automated report generation

IC Engine System Properties

For engines  with piston  pin offset

User can hook  boundary  condition  profiles

These IC inputs  can be defined as Parameters

Can be used to  setup a  customized case  Can be used to  perform custom  post‐processing

Workbench ICE System ANSYS Workbench

CAD

DesignModeler ANSYS Meshing Single  Mesh 

Multiple  Meshes  (keyframes)  (new R14.5)

FLUENT Solver CFD Post

Automatically  Generated Reports

Cold Flow Simulation Setup Using IC Engine System:

Cold Flow Simulation using IC Engine System • Automatic preparation of geometry for meshing • Automatic meshing including inflation layers and  layering zones • Automatic setup dynamic zones, events, and solver  settings • HTML report creation • Reduces the turnaround time (CAD import to CFD  setup) to less than an hour

Geometry Preparation

Geometry Inputs

Basic Geometry Information

Valve geometry and profile information Optional  Animation Inputs Advanced  Options 

Mesh Generation 

Different Meshing Configurations 4 layers between valve  and valve‐seat at fully‐ closed position of valve

one layer in the gap at  fully‐closed position of  valve

Different Meshing  Configurations

Inflation layer in the port

No Inflation layer in the port

Different Meshing  Configurations 

Decomposition in  combustion chamber  region for layered mesh

No decomposition in  chamber region for  engines with very little  squish at TDC or pistons  with valve recess regions

Solver Setup  • IC Engine System will automatically setup the  problem – – – – –

– – – –

Reads the valve and piston profile Create various dynamic mesh zones Create interfaces required for dynamic mesh setup Set up the dynamic mesh parameters Create all the required events, to model opening and closing of  valves, and corresponding modifications in solver settings and  under‐relaxations factors Set up the required models Set up the default boundary conditions and material Set up the default monitors Initialize and patch the solution

HTML Report

• Once the solution is complete, tool creates a detailed report with all the settings , events, results and images.

Port Flow Simulation using  IC Engine System

Port Flow Simulation using  IC Engine System • New feature in upcoming ANSYS R14.5 Release • Prepares the geometry automatically • Automatic meshing using hybrid and cut‐cell  approaches • Setup and solution strategy based on the best  practices • Automatic saving of important images and HTML  report creation • Reduces the turnaround time (CAD import to CFD  setup) to less than an hour

Automatic Geometry  Preparation • Moves the valve to appropriate position • Deactivates the closed valve and deletes the port  automatically • Removes the piston‐bowl (if needed) and extend the  cylinder to appropriate length • Create different shapes of inlet/outlet plenum • Automatically creates the swirl/tumble planes at the  given position

Automatic Geometry Preparation Original Geometry

Final geometry with   Inlet and Outlet Plenums, and port deactivated

Input Manager for  Port Flow

Geometry Decomposition

Automatic Meshing • Cutcell and hybrid meshing support • Create proper mesh controls and sizing to  get better mesh in the chamber and valve  gap • Boundary layers in both hybrid and cutcell meshing

Automatic Meshing

Automatic Solver Setup • IC Engine System will setup the solver from the best  practices for cutcell and Hybrid meshing – Set appropriate solver methods and controls – Set the boundary conditions – Defines the default monitors – Does the FMG initialization

• Automatically creates the default swirl plane from  geometry information,  and defines custom field  functions for swirl

HTML Report:

• Demo ( 5‐6 min recorded  demo of cold flow and port  flow)

Regression and Time Statistics: • A strong regression suite – More than 15 engines with various topologies  from different customers are  there in our  regression suite, which runs on daily basis, to  maintain the stability  and high quality of  software – For each of these engines geometry preparation,  meshing, and setup for cold flow case is within 20  min, and for port flow this is within 30 min

Documentation: • Detailed explanation of all the features with tips on how one can  modify the default behavior of the tool • Trouble shooting chapters: All the knowledge  gained since the  release of 14 has been captured and  documented. Separate  sections for : – – – –

Geometry check Geometry preparation Mesh generation Solver setting up

• Well documented process explaining how tool can be extended for  some of the features which are not supported by automation – Decomposing a straight valve engine with pockets for layered meshing – Handling  geometries in which solid valves are missing

• Detail steps for setting up and running the tutorials along with Video tutorials

Extending the Tool (Advanced Users)

Advanced solver setup using journal customization. • User will be able to setup advanced physics using pre‐ iteration and post‐iteration journal hooks • Using pre‐iteration journal hooks user should be able to  setup combustion problem in IC Engine system: • Define profile, udf ,  and chemkin, file path and also other 

• • • •

variables Compile and hook the udf, also define some udf related  variables Deactivate port fluid zones Set up energy model, turbulence model, species model and  dpm models Define injections

Setting up Combustion:

Cold‐Flow  Setup Pre‐iteration Journal Combustion  Setup with  Spray

Pre‐iteration Journal file for combustion: File Handling Model Control

Injection Data

Setup Method

Creating new zones and defining  advanced boundary conditions. • You can create new Zone at  geometry level by defining  a Named Selection  with  prefix “ice‐user‐” • Extend the boundary  conditions by defining new  boundary conditions in   “User Boundary Conditions  and Monitor Settings”

Handling Engines with Crevice Region • Though, right now, the tool will not  do any special  treatment for crevice region, one can extend the  tool by doing few manual operations to get more  control in crevice region  Separate the crevice volume  and define  proper mesh  Define interfaces to handle this new crevice  volume

Interface Hex Mesh

Crevice Region

Other Useful Features

Key grid support – Automatic crank angle specific decomposition – Create mesh as per the crank angle position – Parametric support to get meshes at different  crank angles • You can setup up to the mesh once, and then  you can  create any number of design points with the exposed  parameters like : crank angles, minimum lift, or  connecting rod length and update the design points,  you will have the appropriate mesh file ready at those  given crank angles without any manual intervention

Key grids based on the crank angle

Geometry  and Mesh at  crank angle  near  TDC

Geometry  and Mesh at  crank angle  near  BDC

Usability Features • Animation of valve and piston motion for the cold flow  simulation at geometry level • Parameter support  for port‐flow solution and mesh  generation in cold flow • User can start the cold flow simulation from any crank  angle , all the settings will be taken care automatically – This saves a huge amount of time ; earlier people use  to reach the required crank angle by mesh motion  which takes a lot of time • Automatic cut planes and views in AMP for  better  visualization of the mesh

Future Plans • Smooth transition from Cold‐flow to Spray and Combustion • Automated setup for combustion analysis • Improve meshing options by • Automatically Switching between different tailored  meshes during simulation (Key‐grid or mesh‐ replacement approach)

Note: The plans are still tentative and time‐lines, priorities etc. needs to be worked out

Summary • New “standard” feature in ANSYS‐FLUENT for In‐ Cylinder simulations • Automates in‐cylinder model creation • Extensively tested on different engine  configurations • Supported on Windows and Linux • Quick to learn and easy to use! • Provides hooks for custom in‐cylinder simulations

Appendix

Work Flow

Mesh configuration of  IC Engine system for a typical canted valve engine No

Fluid Zone  Name

Mesh  type

1

fluid‐ch

Tet mesh

2

fluid‐valveID‐ ib

Sweep mesh with at  least one layer at the  top

3

fluid‐valveID‐ port

Tet mesh with or  without prism layer

4

fluid‐valveID‐ vlayer

Layered mesh with 1  or 4 layers

5

fluid‐layer‐ cylinder

Layered mesh

6

Fluid‐piston

Tet mesh

Geometry decomposition Various zones and named selection created automatically for a typical  canted valve engine.

Smoothing‐Layering approach To retain at least 4  layers of cells between  valve and valve seat,  throughout cycle

smoothing

layering

smoothing

Troubleshooting: Geometry Check  • • • • • •

Piston should be at TDC  position (in R14.0) For Parasolid geometry, set the  Clean Bodies option to ‘No’ Imported geometry should  have only one flow volume  with solid valves Ensure that the valves are not  extracted from the port  volume in the initial geometry Ensure that the valve stem  protrudes out of the port body Ensure that the valve is  centrally aligned to the valve  guide. An off‐centered valve  can result into failures and  wrong results

Troubleshooting: Mesh Generation •

If cylinder chamber meshing fails  => Delete its pinch controls and execute the  meshing again



If some faces belonging to a named  selection group are not selected for  the Geometry option they belong to,  then the warning is displayed  => Add these faces to the Geometry list of  the Named Selection it belongs to





If there are any small faces causing a  meshing failure, then these faces  should be merged with their  adjacent faces using Virtual Topology If V‐layer meshing fails  => Try to project and imprint the edge of the  valve face on the valve seat, in the  direction of the valve –

This will split the valve seat. Then  decompose the geometry again. This  procedure will create a proper sweep  mesh in the vlayer. 

Troubleshooting: Mesh Generation • V‐layer meshing can fail in  some cases where the face  has a step.  • Select ‘Show the  Problematic Geometry’ from  the context menu of the  error message in the  Messages window. This will  point to the face which has  the step • Reduce the V Layer Slice  Angle parameter in the  Input Manager, such that  the face is split into two.  Then reset the Mesh cell  and follow the meshing  procedure to re‐mesh the  geometry.

Straight Valve Engines with Valve Pockets • Fully layered mesh can be  created for straight valve diesel  engines with valve pockets ‐ Instructions can be provided  upon request (available in  R14.5 ICE Manual) Example: Hex mesh created for layering