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

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

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

３D ２D

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）

・吸気バルブ最大開口時 ・排気バルブ最大開口時

負の体積セルをチェック

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。

※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。

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。

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。