CFD analysis guidelines for Engine Simulation エンジン計算における CFD 解析の指針
目次 IC エンジンの Best Practice について 以下の推奨設定を紹介します 1. メッシュ作成に関係するノウハウ : メッシュ数 メッシュサイズ 2. 基本的なメッシュ品質の確認 3. ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジンにおける物理モデルの推奨設定 1) 燃焼モデル 2) 計算開始タイミング 3) 初期条件 4) 境界条件 5) タイムステップ制御 4.pro-STAR 設定 5.STAR-CD および es-ice の設定 6. その他 1) pro-star 計算設定の注意点 ( V4.16 vs V4.18) 2) スカラー初期設定の注意点 (ECFM-3Z vs ECFM-CLEH)
メッシュ数 メッシュサイズ トリムメッシュ 1. 推奨メッシュ数 ハーフモデル :500,000 セル フルモデル :1,000,000 セル 2. 推奨メッシュサイズ 一辺のセル長さ :1~4 mm 3.TDC および BDC の推奨メッシュ層数 TDC: およそ 5~10 層 BDC: およそ 70 層 TDC BDC
メッシュ数 メッシュサイズ トリムメッシュ : 吸気ポート 1. 推奨メッシュ数 ( フルモデル ) 200,000~250,000 セル circumferential cells:80 吸気ポート トリムメッシュ : 排気ポート 1. 推奨メッシュ数 ( フルモデル ) 150,000~200,000 セル circumferential cells:72 排気ポート
メッシュ数 メッシュサイズ トリムメッシュ : シリンダー 1. 推奨メッシュ数 ( フルモデル ) 650,000~750,000 セル BDC 時 シリンダー トリムメッシュ :2D テンプレート 1. 推奨メッシュ数 ( フルモデル ) 6,000~7,000 セル 2D テンプレート
50~70 層 メッシュ数 メッシュサイズ セクターメッシュ 1. 推奨メッシュ数 200,000~500,000 セル 3D 2D 2. 推奨メッシュサイズ 一辺のセル長さ :0.7~1mm 3.2D メッシュ層数 50~70 層
基本的なメッシュ品質の確認 メッシュ品質の確認 CA 毎におけるメッシュ品質 TDC(360CA,720CA) BDC(540CA) 負の体積セルをチェック 吸気バルブ最大開口時 排気バルブ最大開口時
基本的なメッシュ品質の確認 メッシュ品質の確認 バルブシートバルブ断面を確認し シート部分でメッシュが崩れていないかどうか確認します 崩れている場合 Create template > Valve > Seat radial cells を調節して下さい バルブリセスバルブアタッチ領域がバルブリセスに入っていないかどうか確認します 入っている場合 Create template > Trim > Valve N lift を大きくして下さい バルブリセス
燃焼モデル ガソリンエンジン燃焼モデル :ECFM-3Z,spark 1. 係数 α および β は 以下の数値が結果を満足させる最適値となります α=1.6,β=1.0 2. 係数 α は 火炎伝播速度を制御し α を大きくすると 燃焼速度を大きくする効果があります 係数 β は 火炎伝播における火炎面の曲率を制御し β を大きくすることによって 燃焼速度を減少させる効果があります 3. 本燃焼モデルは 標準モデルになりますが 部分負荷ならびに成層燃焼においては過大な火炎核が影響し 点火タイミングで非物理的な圧力ピークが発生するため 注意が必要になります
燃焼モデル ディーゼルエンジン燃焼モデル :ECFM-3Z,compression 1. ガソリンエンジンとは異なり 係数 α および β を調整しても さほど効果がありません 2. 冷炎の影響における燃焼遅れの効果を計算したい場合は Tabulated Double-Delay Autoignition モデルを ON にします デフォルトでは 事前に準備されているテーブルから読み込んだ点火遅れのデータを使用します
計算開始タイミング 計算開始タイミング 吸気バルブが開く 2~3CA 前からの計算開始を推奨としております 理由 排気バルブ開口時の計算は 吸気や燃焼時の計算より安定しているケースが多い 燃焼後の排気行程であるため シリンダー内は全て排気ガスとみなしてよい シリンダー内は全て排気ガスとみなすことが出来 かつ筒内温度は吸気時および燃焼時と比較して 一様とみなすことが出来る 燃焼までに 360CA 以上計算するため 適当な流れ場を作成した後 燃焼を行うことが出来る 流動の初期の状態における熱伝達および 実際の熱伝達の差が最小となる
初期条件 速度 温度ならびに圧力 シリンダー : 排気ポートの条件を使用します 排気フェーズの最終に近い CA から計算開始することを前提とする 吸気ポート : 計算開始時の吸気境界条件を初期条件として使用します 排気ポート : 計算開始時の排気境界条件を初期条件として使用します 乱流パラメーター 初期の乱流エネルギー k および乱流散逸率 ε の求め方 1. 平均ピストン速度を求める Vp = 2 stroke rpm 60 2. 乱れ速度を評価する v' = 0.5 Vp 3. 乱流エネルギーを評価する k = 3/2 (v )**2 4. 乱流長さスケールを設定する L = 0.025 bore 5. 乱流散逸率を求める ε = Cμ**(3/4) * k**(3/2) / L
初期条件 スカラー 初期値の設定について 以下のメニューから選択することが可能です 1.Inflow: 以下の定義により 求められます Flesh Air: 新気としてエンジンに流れ込む空気の量 Injected Fuel: シリンダー / ポート噴射もしくは吸気側で予混合となった燃料ガスの量 ECFM-CLEH を選択する場合 スカラーの初期設定には Inflow の設定がデフォルトになります
初期条件 2.Cylinder: 以下の定義により 求められます Cylinder は 大学や研究機関で使用されるケースが多い Total Air: 新気としてエンジンに流れ込む空気の量および 1 つ前のサイクルにおける残留空気との総和 Total Fuel: シリンダー / ポート噴射もしくは吸気側で予混合となった燃料ガスの量および 1 つ前のサイクルにおける残留燃料との総和
初期条件 混合燃料の定義は 以下のメニューから選択することが出来ます 1.Equivalence ratio( 当量比 ): 混合燃料が燃空比で定義されている場合に使用します 2.Lambda( 空気過剰率 ): 混合燃料が空燃比で定義されている場合に使用します EGR の定義には 以下の 4 つがあります Scalar の初期条件に Cylinder を設定している場合 4 番のみ選択することが出来ます
初期条件 Residual パラメーターは シリンダー内における残留排気ガスの初期比率になります また Residual 以外は 吸気側のガスで構成します 計算開始タイミングが吸気バルブ開口前の場合 100% にします Residual パラメーターは 解析の開始が IVC から TDCF の間にある場合において使用することを推奨としております
境界条件 境界条件 シリンダー壁面境界においては 温度固定を選択します Resistance の定義 ユーザー定義
境界条件 シリンダー具体的な条件がない場合 弊社で用いているディーゼルエンジンの壁面温度は 以下の通りです
境界条件 吸気ポートポート壁面を Adiabatic に設定します 吸気境界条件に Environmental とした圧力境界を選択します 圧力境界として設定した場合 乱流パラメーターの設定欄が出現します
境界条件 境界条件を Inlet として設定した場合 1. 初期流動がない場合 k-ε オプションを使用することを推奨します 2. 初期流動がある場合 k-ε もしくは I-L オプションを使用することを推奨します
境界条件 排気ポートポート壁面を Adiabatic に設定します 排気境界条件に Mean とした圧力境界を選択します 吸気ポートと同様の乱流境界条件を設定します
タイムステップ制御 Global (a) 気流計算 ( 圧縮および排気期間 ):1e-5 sec (b) 燃焼および噴霧期間 :1e-6 sec 以下 (c) ノック効果を考慮する場合 :1e-7 sec 1e-6 を CA 表示した場合 2,000rpm:0.012CA 4,000rpm:0.024CA 6,000rpm:0.036CA 空欄の場合 自動的に 0.1 が入ります
タイムステップ制御 Valve バルブ開弁 0.1CA 前から 1CA 後まで ( 閉弁 1CA 前から 0.1CA まで ) のタイムステップを Global の 0.5 倍としています
pro-star 設定 乱流モデル V4.16 以前 :K-Epsilon/High Reynolds Number が乱流モデルとして設定されます V4.18 以降 : 自動的に K-Epsilon/RNG が乱流モデルとして設定されます
pro-star 設定 噴霧モデル Lagrangian Multi-Phase > Droplet Controls > Interpolation Method ほとんどのケースでは Use Gradient を使用することが適正となるが より精度よく計算する場合 Use Vertex Data の方が良い
pro-star 設定 噴霧モデル Lagrangian Multi-Phase > Droplet Controls > Droplet Mode 以下の 3 種類から選択出来ます 1.Spray injection with atomization: ディーゼエンジンでの使用を推奨 2.Explicitly defined parcel injection: ガソリンエンジンでの使用を推奨 3.User Subroutine: ガソリンエンジンでの使用を推奨
pro-star 設定 液膜モデル Liquid Film > Film Physical Models and Properties Evaporation and Condensation を Evaporation only にします Evaporation only は ほとんどケースにおいて共通設定としています
pro-star 設定 ソルバー設定 Analysis controls > Solution Method > Under Relaxation for Pressure Correction トリムメッシュの場合 :0.3~0.5 に設定します マップメッシュの場合 :0.6~0.7 に設定します
pro-star 設定 Analysis controls > Primary variables > Solver Parameters 燃料噴霧モデルを含む場合 Residual tolerance は以下の様に設定します Momentum, kinetic energy, dissipation rate and temperature:0.001 Pressure:0.0001
pro-star 設定 燃焼モデルを使用する場合 温度の Residual tolerance をスカラーの Tolerance:1e-12 と等しくします
pro-star 設定 Analysis controls > Primary variables > Differencing Schemes Momentum および Turbulence を Mars( デフォルト ) Temperature を MARS にします ECFM-CLEH では UD を使用します なお ECFM-CLEH は V4.20 から MARS がデフォルトになります
pro-star 設定 ソルバー設定 Analysis controls > Primary variables > Additional Scalar 差分スキームを Mars にし Multi component limiter option を ON にします ECFM-CLEH では UD を使用します なお V4.20 から MARS がデフォルトになります 本設定は 低品質および粗いメッシュに対し 計算精度を改善させます
STAR-CD および es-ice の設定 並列計算の設定 1CPU 当たり最小 10,000~15,000 セルに設定する Decompose( 分割数 ) * 10,000~15,000 セル = 全体のメッシュ数 mvmesh.sh の設定各パラメーターの推奨値 MVMESHCPUS=4 -events-ahead-processes=3 -events-ahead=3 MVMESHLAHEAD=2 MVMESHCPUS の設定が重要になります STAR-CD および es-ice で合計 32 コア使用した計算になります
その他 pro-star 計算設定の注意点 ( V4.16 vs V4.18) Switch 10 Error 017: A face cannot be split into triangles が発生した際 Error を解消する Switch になります 粒子が壁面に衝突した際に, 衝突した境界面を三角形に分割して衝突位置を算出していますが 分割がうまくいかなかった場合に, 上記のエラーが発生し 計算がストップするため SW10 を使用し 三角形に分割する頂点の取り方を変更し再度分割しています 注 :V4.16:Switch 10 ON および V4.18:Switch 10 OFF が同等の機能となります
その他 スカラー初期設定の注意点 (ECFM-3Z vs ECFM-CLEH) Scalar initialization 1.ECFM-3Z : Inflow および Cylinder を選択出来ます 2.ECFM-CLEH:Inflow のみ選択出来ます EGR Definition 1.ECFM-3Z:Inflow 全ての定義 および Cylinder 定義 4 のみ選択出来ます 2.ECFM-CLEH:Inflow 定義 2 のみ選択出来ます ECFM-CLEH では Trapped mass および Mass of fuel が追加されます ECFM-3Z ECFM-CLEH
ご清聴ありがとうございました