Verwenden von Parameter-Sweeps und Optimierungen beim Skalieren
Nicht alle Analysen Software. verfügbar auf Neu skalieren Nutzen Sie Multithreading oder MPI, um über mehrere Kerne oder Knoten zu skalieren. Die in Rescale verfügbaren Workflow-Funktionen bieten jedoch praktische Anwendungen für die Skalierung dieser seriell Codes. Ich werde zeigen, wie ein Automobilindustrie Ingenieur kann die Plattform neu skalieren Verbesserung des Designs eines Ringpacks für Verbrennungsmotoren (IC) mithilfe der Workflow-Funktionen von Rescale und des seriellen Ringpack-Codes GEHÄUSE – Ring, das entwickelt wurde von Mid-Michigan-Forschung. Das Ringpaket definiert die Geometrie und Funktion der Ringe und Ringnuten eines Kolbens und ist ein wesentlicher Bestandteil des Motors.
Die Herausforderung
Während der Entwicklung eines Verbrennungsmotors kann ein funktionierender Prototyp erstellt werden, um dessen allgemeine Haltbarkeit und Leistung zu testen. Dieser Prototyp kann verwendet werden, um grundlegende Betriebsdaten für den Motor zu erhalten, einschließlich Daten für das Ringpaket (siehe Schnittbild oben). Einige der wichtigsten Themen, mit denen sich ein Ringpaket-Ingenieur befasst, sind:
Blowby: Druckverlust durch austretendes Gas durch das Ringpaket
Blowback: das Gegenteil von Blowby; Blowback-Gase können mit Öl gesättigt sein, was zu einer verringerten Emissionsleistung des Motors führt
Verschleiß und Ausfall: Übermäßige Bewegungen des Rings oder Mangelschmierung im Motor können zu erhöhtem Verschleiß oder sogar zum Ausfall und Zerfall der Ringe führen
In diesem Beitrag werde ich mich auf das Thema Blowby konzentrieren. Blowby lässt sich leicht an einem Prototypmotor testen, indem man die Menge des austretenden Gases misst Ölwanne des MotorsDie experimentellen Zahlen des Prototyp-Motors werden dann als Basis und Referenz für die Feinabstimmung des Simulationsmodells verwendet.
Das Simulationsmodell
Das von mir verwendete Motormodell ist ein rein hypothetischer Dieselmotor mit einem Hubraum von 1.5 Litern pro Zylinder. Mit der grafischen Benutzeroberfläche (GUI) von CASE lässt sich in wenigen Minuten ein einfaches Modell erstellen.
Optimieren des Modells
Sobald der Ingenieur über einige Basiswerte für den Blowby-Effekt verfügt, kann das Motormodell so optimiert werden, dass es den experimentellen Werten entspricht. CASE verwendet einfache lineare Strömungsmodelle für den Gasfluss zwischen verschiedenen Teilen des Ringpakets und nutzt daher zwei Durchflusskoeffizienten:
Abflusskoeffizienten für komplexe Abflussgeometrien
Leckagekoeffizienten für Gas, das zwischen den Mikrokanälen zwischen zwei sich berührenden starren Oberflächen entweicht
Nehmen wir an, der Ingenieur hat den Motor an den folgenden Lastpunkten laufen lassen, was zum folgenden Blowby geführt hat:
| Motorlast (Bar) | Motordrehzahl | Blowby (L / min) |
|---|---|---|
| 27 | 550 | 4.6 |
| 36 | 1800 | 5.4 |
| 41 | 2800 | 10.0 |
| 53 | 4000 | 12.4 |
Ausführen auf Rescale
Bei Rescale wurde ein 7×13-Parameter-Sweep für Abflusskoeffizienten (dcoeff) zwischen 0.2 und 0.8 und Leckagekoeffizienten (Leakage) zwischen 0.0 und 0.03 eingerichtet. Ziel ist es, das Modell an diesen Parameterpunkten auszuführen und die Ergebnisse mit den experimentellen Werten zu vergleichen. Der Parameterpunkt mit der geringsten Differenz zwischen den experimentellen und den Simulationsdaten wird für die Durchführung nachfolgender Design of Experiment (DOE)-Simulationen verwendet.
Die Eingabedateien wurden als Vorlage eingerichtet, wobei jede Datei die entsprechenden Vorlagen-Tags für jeden Parameter enthielt.
DCOEFF ${dcoeff?string("0.00000")}
LECKAGE ${leakage?string("0.00000")}
Um alle 4 Ladepunkte auszuführen, wurde der Befehl zum Ausführen von Rescale wie folgt eingegeben:
für i in {1..4}; führe CD-Bedingung_$i aus; casering53.exe data.DAT; CD ..; fertig;
Ein Post-Processing-Skript wurde verwendet, um die Blowby-Werte für jeden Lastpunkt zu extrahieren, die Blowby-Werte mit den experimentellen Werten zu vergleichen und einen RMS-Fehler zu berechnen. Der kleinste Fehler trat am Punkt (dcoeff=0.70, leaky=0.01) auf. Der gesamte Aufbau kann unter Hinzufügen des freigegebenen Jobs zu Ihrem Konto.
Ähnlich wie bei einem Parameter-Sweep kann der Ingenieur einen Optimierer verwenden, um die beste Übereinstimmung für diese Koeffizienten zu finden. Anstatt die gesamte Domäne zu optimieren, habe ich zu reinen Demonstrationszwecken einen Optimierungsjob eingerichtet und ausgeführt, der die Ergebnisse des vorherigen Parameter-Sweeps in der Domäne (dcoeff=0.60-0.80, leakage=0.00-0.02) verfeinert. Die Einrichtung des Optimierungsjobs kann wie folgt eingesehen werden: Hinzufügen des freigegebenen Jobs zu Ihrem KontoDas beste Ergebnis wird auf der Ergebnisseite übersichtlich mit einem grünen Balken hervorgehoben.
Die Ergebnisse dieser beiden Aufgaben werden unten angezeigt. Der RMS-Fehler für den Parameter-Sweep betrug 0.4060 l/min, während der verfeinerte RMS-Fehler 0.4027 l/min betrug.
| Blowby (L/min) | ||
|---|---|---|
| Experimentell | Bester Sweep-Punkt | Verfeinerter Punkt |
| 4.60 | 4.97 | 5.04 |
| 5.40 | 5.88 | 5.96 |
| 10.00 | 9.86 | 10.00 |
| 12.40 | 11.88 | 12.02 |
Die gesamte Domäne kann mithilfe der Visualisierungstools „Rescale“ als Antwortoberfläche dargestellt werden:
Technische Analyse
Wir verfügen nun über ein optimiertes Modell und können nun echte Ingenieursarbeit leisten. Die folgenden Beispielfälle werden mit denselben Workflow-Setup-Tools implementiert, die auch in Rescale verfügbar sind.
Minimieren Sie Blowby durch Ändern der statischen Drehung
Nehmen wir an, wir möchten unser Ringdesign optimieren, um Blowby zu minimieren. Bestimmte geometrische Eigenschaften des Rings lassen sich leicht ändern. Eine dieser Eigenschaften ist die statische Verdrehung des Rings. Diese Eigenschaft beschreibt die Drehung des Ringquerschnitts relativ zu seinem Nennwinkel (0 Grad). Wir können mit Rescale einen schnellen Parameter-Sweep für diese geometrische Eigenschaft durchführen, ähnlich wie wir den Tuning-Sweep eingerichtet haben. Ich habe einen Kreuzprodukt-Parameter-Sweep für die Verdrehung des Kompressionsring (Ring 1) und die Verdrehung des Abstreifrings (Ring 2):
Schauen wir uns die Ergebnisse an. Zur Darstellung habe ich die Option „Flächendiagramm“ der Visualisierungstools „Neu skalieren“ gewählt. Die blauen Farben stehen für geringen Blowby (gut!), die roten für hohen Blowby (schlecht!). Interessanterweise zeigt das Diagramm, dass die Verdrehung des ersten und des zweiten Rings den Gesamt-Blowby nicht unabhängig voneinander beeinflusst, da kein klarer, gleichmäßiger Trend erkennbar ist.
Aus diesen Ergebnissen lassen sich einige interessante Schlussfolgerungen ziehen. Der gesamte Aufbau kann durch Hinzufügen des freigegebenen Jobs zu Ihrem Konto.
Und hier ist eine zweite Studie:
Minimieren Sie Blowby durch Änderung der Nutgeometrie
Schauen wir uns nun die Geometrie der Rillen an, in denen sich die Ringe befinden. Dieses Mal haben wir die Breite der Rille sowohl der oberen als auch der unteren Rille geändert:
Schauen wir uns die Ergebnisse an. Zur Darstellung der Ergebnisse habe ich erneut die Option „Flächendiagramm“ der Visualisierungstools „Neu skalieren“ gewählt. Blaue Farben kennzeichnen geringes Blowby, rote Farben hohes Blowby. Das Diagramm zeigt, dass die Geometrie der ersten und zweiten Nut den Gesamt-Blowby unabhängig voneinander beeinflusst, da ein klarer Trend von unten links im Diagramm zur oberen Mitte erkennbar ist.
Das gesamte Setup kann eingesehen werden durch Hinzufügen des freigegebenen Jobs zu Ihrem Konto.
Zusammenfassung
Selbst Seriencodes lassen sich für die entsprechenden Anwendungen massiv skalieren. Rescale bietet Workflow-Tools zur Verbesserung der Skalierung von Simulationssoftware. Diese Codes lassen sich nicht nur einfach skalieren, sondern auch parallele Anwendungen wie Parameter-Sweeps lassen sich linear skalieren, sodass keine Kosten-Leistungs-Verluste entstehen. Rescale bietet außerdem Visualisierungstools zur Zusammenfassung von Daten in einem einzigen Diagramm, sodass Ingenieure die Ausgabeinformationen schneller verarbeiten können.
CASE ist eine Zylinder-Kit-Analyse-Suite, entwickelt von Mid-Michigan-ForschungFür Lizenzinformationen oder weitere Auskünfte zur verwendeten Analysesoftware wenden Sie sich bitte an sales@mmrllc.com oder an Harold Schock unter harold.schock@mmrllc.com.
Bitte lesen Sie später in diesem Jahr unseren Artikel mit dem Titel „Kolbenringverschleißanalyse für Dieselmotoren“ unter ICEF2014.
