作者 Alexandros Panagoulias Papakostas

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Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder 解决方案是 Simcenter STAR-CCM+ 的插件，提供 缸内专用工作流程。它实现了最低水平的输入量，简化了预处理并提供自动化后处理功能，所有这些都围绕完全自动化的网格生成 依据形态图 方法构建。它辅以一流的模型（喷雾、液膜、点火、燃烧、排放）和嵌入式设计探索功能，高效实现 ICE CFD 仿真，助您以数值方式预测下一个更高效、更强大的发动机设计。

ICE 研讨会 – 现可重播

借此机会观看我们的在线活动录像，了解有关 Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder 解决方案的更多信息：

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在去年的在线研讨会（2023 年 9 月）上我们展示了多个有趣生动的示例，其中有个示例（如下图）显示，对不同喷射时间和角度的氨气和柴油喷射进行了研究，在某些条件下，两种燃料喷射的相互作用不足或太强，例如点火失灵，都可能发生。依靠 CFD 来准确预测这个现象可以减少大量测试需求，并详细了解如何设计发动机，从而避免出现这种情况。

Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder 解决方案

虽然我们不断听到汽车动力系统电气化的消息，但现实情况是，内燃机短期内不会消失，在未来几十年内仍将是动力系统的主力。缩小内燃机尺寸和集成到混合动力总成平台的推动给发动机开发带来了许多新挑战，这些挑战只能通过大量的 CFD 仿真才能克服。

In-Cylinder 解决方案是 Simcenter STAR-CCM+ 的插件，可让您轻松对发动机进行精确的缸内 CFD 仿真。默认设置和自动创建的后处理输出旨在为工程师提供一个“起跑线”：您不需要成为 CFD 专家，也能设置并执行最具挑战性的 CFD 仿真！

Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder 解决方案的优势和特点一览：

简单的问题设置：在几分钟内设置发动机仿真
自动网格划分：变形和地图处理移动的组件
冷流：最大化截留的空气质量
装料运动：改善进气和喷射燃料的混合
燃烧、爆震和排放：最大化燃烧效率，减少有害排放
共轭热传导：通过耦合动力总成分析优化热管理
工作流程/后处理：以最少的输入和简化的流程提高生产效率
自动化设计探索：自动优化发动机性能
验证：与实验数据有极好的相关性

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简单的问题设置

In-Cylinder 解决方案插件打开了一个最小的界面，其中仅显示设置缸内仿真所需的输入，呈现一个自上而下的工作流程：从顶部开始，一路向下通过各个级别。

您无需成为 Simcenter STAR-CCM+ 专家，即可使用该插件设置和运行缸内仿真，因为它使用特定于应用程序的工作流程和简化的界面。但是，专家用户可以使用这些缸内仿真作为执行更复杂的多物理场发动机仿真的入手点，这些仿真发挥了 Simcenter STAR-CCM+ 的全部仿真功能。

Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder 解决方案致力于实现快速又简单的设置，并为分析人员腾出时间来设计解决方案，避免花费大量的时间进行鼠标操作和点击来设置问题。从快速设置典型的多孔喷油器（可以轻松定制喷雾目标），到快速选择燃料，再到自动设置常见的后处理输出（如液体与蒸汽渗透图和燃料质量跟踪），该插件的设计和开发旨在简化仿真设置，并允许工程师从仿真过程中挖掘最大价值。

所示的几何结构来自 DYNAMO（GDI 发动机的动态分析建模和优化）项目，该项目由英国先进推进中心 (Advanced Propulsion Centre) 提供部分资金支持。特此感谢项目合作伙伴。

现在，只需几分钟，您就可以利用该工具和功能设置全模型、半模型或扇形模型，模拟四冲程和二冲程发动机配置。

自动化网格划分

In-Cylinder 解决方案插件采用仿真驱动程序来运行瞬态网格运动过程。您只需创建一个由修剪单元和棱镜层组成的初始网格，以捕捉边界层流动特征。整个网格运动由代码自动处理，从而自动变形和映射网格以考虑活塞和阀门的运动。该工具在网格变形时对其进行质量检查，必要时自动创建一个新的不变形网格，并将模拟结果映射到该网格上。

该网格会根据最佳实践自动细化关键区域的网格：阀门周围、阀座、阀喉、端口和垫片间隙周围。每次模拟都会自动执行，无需用户手动干预。另一方面，用户可以完全控制网格设置，并可以根据他们的分析范围添加额外的细化区域，例如火花塞周围。

所采用的形态图方法经过广泛的测试，在所有实际应用中都有高度的质量保证。

版本 2206 或更高版本还允许您重用生成和存储的网格。这有效地消除了第二个发动机循环以后的网格生成时间，在 LES 研究中尤其有用，因为必须模拟多个循环才能准确捕捉循环之间的变化。循环中的每个网格站都以扩展名为 .CCM 的文件形式保存在预先指定的输出目录中，文件名中的 CA 作为网格标识符。

这种方法尤其适用于 LES 研究，因为这种研究需要模拟大量的发动机循环，以准确捕捉循环间的变化。

在最新版本 Simcenter STAR-CCM+ 2406 中，您还可以包含几何体零部件，这些零件将以静态方式网格化，从而节省变形器变形和映射网格的时间。无论是进气口、预燃烧室系统还是其他地方，只要单元顶点移动并不重要，这一功能就能派上用场。这些区域的网格可能会更粗糙，这在以前是个难题。请注意，由于初始和边界条件规范经过了大幅简化，如今完成一个相同的设置，例如手动包含静态网格零件，点击操作次数可能不到过去的 1/3。目前不支持静态零部件的液膜活化，但将在未来的版本中解决。

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冷流

缸内仿真是目前最复杂的 CFD 仿真之一。高速流动、极高质量守恒要求的网格运动，以及非常小的时间尺度（曲柄角度数的分数通常需要 1E-6 [s] 量级的时间步长），这些要素组合意味着设置工作量大，还要仔细选择数值，以合理的周转时间完成稳定的运行。这还不算，我们还要在液体燃料喷射（如拉格朗日喷射、液滴-壁相互作用、壁流体膜）和燃烧（如点火、火焰传播、排放物形成、爆震）等复杂物理模型上进行分层。

因此，在开发过程的早期阶段进行的大量模拟都集中在所谓的冷流上。这包括对气缸内气流的瞬态过程进行建模，通常是为了最大限度地提高滞留空气质量，并研究气流引起的体运动（漩涡和翻滚）。通常，我们还会研究湍流的演变，以便更好地了解燃料和空气混合的可能性，特别是在火花点火式发动机中，观察预定的点火/燃烧开始时间火花塞周围的湍流水平如何。

Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder 解决方案允许您通过网格运动的自动设置为多气门发动机设置冷流仿真，让您在几分钟内完成从原始 CAD 几何结构到运行仿真的过程。

可以采用 URANS 或 LES，具体取决于模拟项目的确切范围和需要数值捕捉的效果。

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装料运动/混合物制备

借助 Simcenter STAR-CCM+ 13.04，我们在设置和运行装料运动仿真的能力方面又向前迈进了一大步。这是在我们之前的冷流能力之上，增添了液体燃料喷射的设置和随后的混合过程建模功能。凭借增压运动模拟功能，发动机可逐步提高燃烧质量，具体方法是识别和纠正混合气过浓或过淡区域（尤其是在循环的关键部分，如活塞接近 TDC 和火花点火期间），从而控制吸入空气与喷射燃料的混合比例。后者在当今的直喷设计中尤为重要，在这种设计中，将燃料直接喷射到气缸中会极大地影响整体流量和湍流水平，因此仿真提供的洞察力比以往任何时候都更加重要。

装料运动仿真通常起到的另一个关键作用是评估有害发射物的形成可能性。同样，理想情况下，我们希望实现燃料和空气的高质量混合，这在直喷系统中尤其具有挑战性，因为在直喷系统的高负荷工作点，发动机循环的大部分时间都在喷射燃油。模拟不仅能指示贫油区和富油区，还能显示液态燃料的蒸发速度、对气缸表面的影响程度以及是否在这些表面形成了薄膜或油池。所有这些都能指示有害排放物形成的程度，除非以某种方式加以缓解，否则将需要在排气管路中使用昂贵的后处理装置对发动机下游进行“清理”。

多年来，整车厂完全基于装料运动开发了大型设计指南数据库，仅使用气缸内部的整体运动、燃料和空气混合质量的指标以及火花塞周围的湍流水平等指标来判断燃烧是否理想，从而节省了宝贵的工程设计时间，尤其是在燃烧系统的早期设计阶段。

各种分解、液滴壁撞击以及液膜模型为用户提供了必要的工具集，有助于用户在开展更高级的燃烧研究之前成功完成此类仿真。此外，在 2210 或更高版本中默认应用温度相关的属性，显著减少了手动交互：

就模拟燃料喷射的高保真度而言，采用恒定属性是远远不够的。然而，用户要手动将拉格朗日相的属性切换到温度相关的值，工作量是蛮大的。凭借 Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder 解决方案，通过使用软件附带的数据库中存储的数据，此步骤实现完全自动化。

在左图这样的图中，这种优势更加明显。准确捕获混合物的制备对于在进行缸内燃烧阶段之前正确混合燃料和空气至关重要。这里描述的是燃料质量随温度变化的恒定特性。

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燃烧、爆震和排放

Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder 解决方案提供燃烧功能，例如 ECFM-3Z 和 ECFM-CLEH、高级 (ISSIM) 以及标准点火模型、爆震模型 (Tabulated Kinetic Ignition – TKI)，并辅以排放模型，如一氧化碳、NORA 氮氧化物和烟尘排放模型，例如烟尘分段法。我们每年发布三个版本，通过更多高级燃烧模型选项和子模型来捕获爆震和预测排放，不断扩大功能范围。

由于市场逐渐倾向选择替代燃料/非碳燃料建模，因此代码中提供的所有燃烧模型完全兼容 C_xH_yO_zN_w 类型的燃料，如氢气(H₂) 和氨气(NH₃)。

在更极端的工作点和压力/温度条件下，以前有效的某些假设（例如理想气体定律）可能不再成立。为了安全起见，该工具提供的实际气体采用 Redlich-Kwong 模型帮助用户准确预测理想气体定律无法预测的效应，如范德华力、可压缩性和非平衡热力学效应、可变比热容等。

为了生成有用的燃烧室设计信息，而不依赖于详细的模型，可以采用指定燃烧速率 (Wiebe) 模型，通过形式系数和燃烧持续时间来指定燃烧速率。该方法还可用于生成热传导边界条件，以用于发动机共轭热传导分析。

该图显示的是一台工业用四冲程柴油发动机的气缸压力曲线。在这里，实际气体模型的应用改进了对部分和全负荷运行条件下气缸压力的预测，峰值压力与测试数据更加接近。

使用 Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder 解决方案模拟火焰传播

在某些情况下，模拟燃烧和排放需要预制表化学数据库。如今用户不必使用 DARS 或第三方工具生成这些表，或使用支持中心提供的标准燃料表，而是使用 ECFM 表格生成器，在 2210 或更高版本中生成如下表格：(i) 层流火焰速度、(ii) 发动机爆震、(iii) 烟灰、(iv) 平衡表，后者在使用 ECFM-CLEH 燃烧模型进行仿真时需要。

这就消除了对外部工具的依赖，实现更高的灵活性。

了解有关燃烧功能的更多信息

观看我们关于缸内燃烧 CFD 仿真的点播式网络研讨会

共轭热传导 (CHT)

除了标准仿真之外，在当今的发动机设计中，为了提高效率而缩小尺寸，因此有效的热管理也至关重要。当下人们采用全发动机共轭传热仿真研究在不超过热设计限制的情况下达到峰值热效率水平的设计。

Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder 解决方案还提供了单一用户环境，模拟流体和固体侧，即缸内和发动机共轭热传导模型。两个模型之间的热传导边界条件交换，以及工作流程自动化的能力都是可以直接实现的：

用户可以通过自动方式计算和导出循环平均边界热传导数据（平均空间热传导系数和参考温度），从而在后续的发动机共轭热传导分析中应用热边界条件。因此，工作流程明显变得更加简化和高效。

一直以来，缸内/共轭热传导方法需要使用多个 CFD 软件包。软件包之间不同的文件格式和数据映射一直是操作方面的难题。现在，缸内/发动机共轭热传导耦合分析可完全在 Simcenter STAR-CCM+ 中进行，从而大大简化了整个流程，并可通过 JAVA 脚本实现组合仿真循环的自动化。

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工作流程/后处理

Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder 解决方案的应用程序特定工作流程只需用户进行极少量的输入，从而缩短了整体周转时间。多种功能可实现缸内仿真的无缝前处理和后处理。这里只描述了其中的一小部分。

该插件为用户呈现分组列表的用户界面对象，大幅减少鼠标操作即可找到感兴趣的对象。使用子文件夹可以根据领域零件（气缸、端口/阀门）或性质（网格、解算、物理）进行分类。这种优势在多缸情况下将更加明显，计划在未来的版本中加入这种功能。

生成/导出绘图和场景硬拷贝，该功能允许用户完全自定义文件名，生成的文件表已经按时间顺序排列，其中 CA/degCA 作为直接指示符。因此，该列表也可用于视频生成，而无需手动转换图像文件名。

另一个实用功能是绘图的循环模式，它允许以循环模式直观显示数据，在气缸内分析中特别有用。插件用户可运用该功能绘制相应的 2D (X-Y) 曲线来比较发动机循环，并突出显示两者之间的差异；这无需任何形式的手动交互，因为该模式在所有相关绘图中默认处于激活状态。

最后，凭借最近推出的另一个实用后处理功能，用户无需点击就能直观看到综合热量释放速率、燃烧质量分数 (MFB) 10-50% 或 90% 以及燃烧持续时间，从而将生产效率提升到一个新水平。从此，用户不必导出热量释放曲线，也无须在电子表格中手动执行繁琐的计算，就能评估发动机设计的性能。评估这些数量所需的所有树对象都是自动生成的。

现在，Simcenter STAR-CCM+ 2406 及更高版本通过虚拟现实 [VR] 打造仿真结果全身心沉浸的方法。运用 Web 查看器上的单个按钮触发虚拟现实，然后播种粒子、切分流或剪辑掉几何体的一部分。您甚至可以拍摄快照，这些快照可直接在 Downloads（“下载”）文件夹中以硬拷贝的形式提供！

单击此处以交互方式探索氨燃料发动机的更多结果！