GT-COOL

教程

版本6.1

2004.08

适用于冷却系统仿真模拟和发动机热处理

的GT-SUITE

伽马射线技术有限公司

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目录

教程一：建模基本知识--------------------------------------4

向项目录入模板---------------------------------------------------------4

确定对象------------------------------------------------------------------4

使用参数-------------------------------------------------------------------6

换热器建模----------------------------------------------------------------9

从其他项目文件中复制对象-------------------------------------------11

在项目图中排列零件----------------------------------------------------12

连接零件-------------------------------------------------------------------12

使用运行设置，设置方案，输出设置 -------------------------------13

运行模拟-------------------------------------------------------------------16

GT-POST的后处理------------------------------------------------------21

教程一：建模基本知识

此教程通过使用GT-COOL一步步的指令来建立一个基本的换热器模型，帮助新用户学习使用GT-ISE。建议初学者使用GT-COOL手册，或者进入项目数据库寻求在线帮助来理解每个对象和属性的含义。教程一最后输出的结果便是一个包含主从式换热器的简单系统。

启动GT-ISE：打开电脑，通过双击GT-ISE图标或使用开始菜单打开GT-ISE。如果图标还未创建，你可以创建一个指向$GTIHOME/Vx.x.x*/GTsuite/bin/GTise.exe.的新图标。在UNIX操作系统中，你也可以通过在命令行输入gtise启动程序。一旦程序启动，将会创建一个空白窗口，选择File/New并点击GT Project Map (.gtm)，这将出现一个方框，让用户选择打开类型。选择GTCOOL，一个空白的项目图和项目库便打开了。

向项目录入模板

从菜单中选择Window工具栏中的Tile with Template Library选项。GT-COOL模板库将出现在屏幕左边。模板库包含所有可用于GT-COOL的模板。有一些模板在被用于创建对象和零件之前需要复制到项目库中。对于此教程，点击下面列出的图标，并将他们从模板库拖入项目库中。他们中有一些是模板，其他的则是一些已经被定义和包含于GT-COOL模板库中的对象。（如果工作在UNIX环境下，有必要查阅GT-SUITE的安装说明，以使后继工作正确进行）。

Flow文件夹：

EndEnvironment

EndFlowInlet

HxMaster

HxSlave

Pipe

OrificeConn - def (object)

PrLossConn

FPropGas - h2o-vap (object)

FPropGas - n2-vap (object)

FPropGas - o2-vap (object)

FPropLiq - h2o (object)

HeatCMaterials - aluminum (object)

HxNuCorr

HxNuMap

GT-ISE的基本思路是提供包含未填属性的模板，这些属性是模型所需要的。模板是由项目构成的，当组件和连接件置于项目图上时，他们就变成了零件了。这些对象和零件可以称作参考对象。在此，项目中唯一的参考模板和对象便是那些描述水，氮，氧，铝的特性以及换热器的相关数据。在建模过程中，更多的参考模板将被使用；不过，当这些模板第一次被使用时，他们是自动输入项目中的。

确定对象

在开始建立换热器模型之前，选择File/save保存项目。将文件保存于../Tutorial/GTcool/hxdemo-tutorial-test.目录下。注意，完成的模板在此目录中。最大化你的项目窗口，使主模板库不再显示。建立换热器模型的第一步是描述进出水口的边界条件。在这个模型中，“EndFlowInlet”和“EndEnvironment”模板将会用到。双击“EndFlowInlet”模板，创建进水口边界条件。将对象命名为“wat-source”，并在标签为水的表格内填入适当数据。

命名水侧对象的另一个对象为“air-source”，并向有关属性填入数值。对于每一个对象，可以进入在线帮助获取进一步的信息。点击对象左上角的模板图标，将会打开手册中一个相关的说明框。

你会发现当“air”被输入为组件属性时，字的颜色在输入后是绿色的。绿色表示一个参考对象的指针（超链接）。对于组件属性，GT-ISE需要一个参考对象来描述边界条件的组成。双击“air”，将显示一个方框，内有各种对这种属性可供选择的参考模板。在这种情况下，我们希望有一个参考对象，能够来界定空气是由0.767的氮气和0.233的氧气混合而成。这就是“FPropMixture”模板。通过选择“FPropMixture”，点击确定，“FPropMixture”模板将被自动录入项目中。我们可以如下填入定义空气的参数。这个参数对象便可在模型中的其他零件中使用了。

看着组成属性，我们可以更好的解释GT-ISE的其他特点。打开的“EndFlowInlet”组成属性方框，右击方框填入的数值，选择“Value Selector”。在项目开始阶段，我们引进了描述空气和水特征的参考对象。在数值选择方框中，我们看到创建的参数列在左边（没有创建的参数），允许用于属性的参数模板列在右边。已创建的对象列于各自的模板中。

另一种把参考对象变成一种属性的方法是：首先创建这个对象，然后去“Value Selector”窗口选择该对象。

为创建水侧出口边界条件，双击“EndEnvironment”，将对象命名为“water-tank”，并在相应的框中填入属性数值。然后点击确定。空气侧出口边界条件将在以后讨论。

使用参数

属性中的各种参数是可变的。参数的创建是通过在小括号内输入一个名字定义的。注意，在“EndEnvironment”对象中“water-tank”的压力属性是第一次在教程中出现。参数变量根据情况可以发生变化。

现在，我们将创建几种管道对象。在项目库中双击“pipe”模板，填入如下各种属性并命名为“pipe1”。“pipe1”对象有两个文件夹。需用户填入的属性在主文件夹中。第二个文件夹，即选项文件夹，包含一些通常用户无须改变的属性。

现在，一个管道对象已被创建。注意他的一些属性是文字，而有些属性则是数字。右击任何属性并选择“Attribute Property”，用户可以看到那些输入类型是允许的。例如，如果用户右击打开表面粗糙度属性，一个方框会弹出，显示“def”或一些参数数值是允许的。查询手册或在线帮助，可确定“def”和“ign”合适属性。

当“wat-init”为初始状态名字时，字会变成绿色，这又一次表示他描述了参考对象的属性。双击“wat-init”，弹出一个对话框，显示属性的各种参考模板。在这种情况下，只有一个模板是可用的。选择“FStateInit”然后确认，“FStateInit”参考模板便会自动输入到项目中。在模拟的初期，我们可以填入描述管道对象初始状态的属性。这个参考对象现在可用来确定模板中其他零件的初始条件了。

继续创建以下管道对象。命名为“pipe2”“pipe3”。注意选项文件夹无需更改，默认和忽略值就足够了。参数的数值将在以后的方案设置中输入。

现在，我们将创建压力损失连接对象。这些对象可以通过将换热器得出流速这样的组件来对压力下降进行建模。双击项目库中的“PrLossConn”模板，创建空气压力损失对象。填写所有文件的属性数值，并命名为“PrLossAir”。

第一个对象创建后，如要创建一个新对象时，无需每次都输入所有属性数值。右击“PrLossAir”，选择“Clone Object”，这将创建一个包含所有“PrLossAir”属性的对性。所有用户要做的仅是命名及更改不一样的属性数值。如下图水侧压力损失对象，只做些必要的修改，然后确定便完成了。将其命名为“PrLossWater”。

换热器建模（HxNuMap and HxNuCorr 对象）

下一个工作是当已知流路的实验数据，建立换热器的模型。当流路建模时，主从式换热器是出于工作中的。这个例子的实验数据是有标签确定的文本文件提供的，此文件存在于../Tutorial/Gtcool/tutorial-data/ directory.。这个计算表包含质量流量，入口温度，出口温度等数据。传热率可由实验数据计算得出。每种流体任意流速的传热率的计算是使用对流传热系数界定的。该系数可由努塞尔数的相关系数确定：

参考对象“HxNuMap”通常决定着相关系数，A，指数，b，主从式换热器采用的实验数据的线性回归分析。GT-COOL通常采用一套具有最小误差的系数。想获得更多信息，请参阅GT-COOL用户手册的第三章。为执行回归分析并确定相关系数和指数，双击项目库中的“HxNuMap”模板，并在主文件填入相关属性数值。

根据计算表中实验数据的定义类型，选择计算相关系数为“yes”，选择质量流量和温度比为输出类型。选择详细的输出水平能够提供一个总体详细的输出数据和回归分析结果。相关值将作为“HxNuMap”参考对象的RLT变量保存。回归分析的输出结果在*.out文件中，文件可在文本编辑器中看到。检查轮廓模块属性，可以创建一个区域，此区域可允许用户分析输出结果的质量。确定Contour plots的属性可以在GT-POST 创建模块让用户分析输入数据的质量。了解更多详情，请参阅GTCOOL用户手册第三章。

在“HxMaster”“ HxSlave”文件中输入已下换热器参考数值。

最低雷诺指数和最高雷诺指数的属性允许用户规定线性回归在指数上使用的范围。通常0.5-1.0的范围是可以的。层重指数和重数比属性是高级用户使用的，以后将在用户手册的第三章讨论。

打开载有实验数据的文件，如下图所示复制和粘贴数据到陈列文件夹。注意下面的数据并不代表所有数据。

实验数据的输出现在结束了。下一步，换完成热器对象将。这些对象是指以上填入“HxNuMap”中的数据。从项目库中双击“HxMaster”模板，如下给属性赋值，并命名为“wat-cir”。

下一步是创建一个描述从式换热器的对象。在项目库中双击“HxSlave”模板。给属性赋以下列数值，并命名为“air-cir”。

所有关于回归分析和主从式换热器的数据均录入完毕。一般情况下，回归分析法是定时进行的，以便获得相关数据。这些数值随后被录入到“HxNuCorr”参考对象中。记得这个数据是在教程初期从模板库中复制过来的。“HxNuCorr”对象便会取代以上主从对象中用的“HxNuMap”参考对象。这一步会可以减少模拟运行时间，因为当主次对象指向“HxNuMap”时，回归分析总是执行。我们将学会如何避免在模拟预处理后期重复执行回归分析。

从其他项目文件中复制对象

从一个项目向另一个项目复制对象是很方便的。这使得用户可方便的在各项目间共享数据，而不用重新输入或复制数据。如果一个对象已在另一项目中定义，打开file/open选择所需文件（*.gtm）。选择Window/Tile Vertically。这个命令将使所有打开的项目一列列陈列出来。而在新窗口，选择所需对象，左击鼠标将对象有它的原窗口拖入工作项目库。也可以右击所需对象，选择复制，然后粘贴到工作项目库中。完成后，你可以关闭所有含所需对象的文件，最大化窗口。

在项目图中排列零件

现在可以在项目图中排列零件了。点击被命名为 “EndFlowInlet”对象中的“wat-source”，把它拖到图的左边。从左到右根据指令列中步骤重复下面的项目：

Pipe1，pipe3，wat-cir，PrLossWater，pipe1，water-tank

在每个图标间至少留三个点，以使有足够的空间连线。现在图上每个对象是一个独立的主体。GT-ISE自动分配一个名字给每个零件。根据他在图上的排列，这个名字是个整数，它随着零件的排列而不断增加。每个零件的名字都可以编辑，通过双击项目图中的零件名字可以改变字母字符。对于“wat-source”，变其名为“water-in”，对于第一个“pipe1”，变其名为“w-p-in”，对于“pipe3”，变为“w-p-in-2”，对于“wat-cir”，变为“water-side”，对于“PrLossWater”，保持不变。对于第二个“pipe1”，变其名为“w-p-out”，最后的“water-tank”变为“water-out”。对于空气方面的对象，采用同样的步骤创建（air-source, pipe2, air-cir, PrLossAir, pipe2）。

为完成建模所需的零件,从序列中选择“water-tank”并把它拖到项目图中，命名为“water-out”。这便创建了一个基于水箱对象的新零件。注意一旦对象确定了，多个零件可以由它们创建。双击零件，变其名为“air-out”，改变组成类型为air in the part override。把零件移到“a-p-out”管的右侧。

在此，项目图和项目库应如下图所示。重要的部分已被增大尺寸以便于识别。组成对象可以被调整。调整是通过选择零件拖动零件外形已达到合适大小来完成的。

连接零件

现在，组件需要连接在一起，以创建完成模型。在GT-ISE工具栏中点击“Create Links”按钮：

这样可以将组件连接起来，一旦这个被选中，鼠标指针将变成十字形。也可以通过右击项目图上任意位置选择“Create Link”完成。首先点击“water-in”零件，然后点击“w-p-in”零件。在“water-in”对象和“w-p-in”之间便自动建立了一个默认孔口连接。连接的箭头的方向表示流向。注意因为组件间必须有连接对象，并且我们不能确定这些连接对象，所以便采用默认孔口连接。根据总流向，从左向右依次连接个零件。注意图上的默认孔口可通过点击零件并拖动到理想位置。双击零件可以改变零件编号。并不一定必须在总流的方向上连接零件，但这样可以帮助我们理解对象的连接。连接后可以点击GT-ISE工具栏中的“Select Mode”编辑对象或零件。

同样，这也可以通过右击项目图任意位置选择“Select Mode”来完成。注意，初次连接后可以点击连接并拖动到所要的位置或形状来改变位置或形状。在主要部分连接完成后，将换热器的主侧与从侧连接起来。注意“def”“ PointerConn”连接对象会自动在换热器件连接。返回“Select Mode”，双击任意连接的组件会弹出一个显示组件连接情况的窗口。这个窗口显示了连接的站口号和一系列外有的站口。举例来说，双击换热器之间的连接，指针显示的窗口表示换热器的连接。通常情况下，站口一是流入，站口二是流出，在这种情况下，站口0是信号指针。一旦模型完全连接，他将如下图所示。默认连接器由于参数不同而显得不同（选择Tools/Options/View可以改变默认连接器的外观）。如果你的模板中的默认连接器的站口不同也没关系。

使用运行设置，方案设置, 输出设置

运行设置

一旦模型完全建立，还需要向其中输入描述仿真模型的信息，以及需输出的模型。这些工作大部分是通过选择“RUN”菜单完成的。

首先，选择“RUN/RUN SETUP”。 “RUN/RUN SETUP”中共有八个文件夹，有些文件夹需要输入命令来运行模拟。在Legend文件夹中，可以输入一个描述模板或模拟运行类型的句子。例如，输入“Master-Slave HX Tutorial, discretization length = [dx] mm”，参数[dx]便包含在Legend中了，以至于离散长度将被放在每个模块的顶部。因为只有一个方案，你可以输入“ign”为模块属性。

第二和第三个文件夹是“TimeControl”和“FlowControl”。照下图填入相应数值。

下一个文件夹是“ThermalControl”，如下填入数值。

ThermalControl Folder

“Run Setup”中的“ThermalControl”文件夹中的壁温处理属性可能会被设定在以下四个状态：暂态，稳定，过余，参数。

暂态：表示热解法应能够计算瞬时壁温。当考虑墙体热电容的瞬态影响时，例如升温研究，暂态将被选择。由于稳态的原因，建议壁温求解时，采用隐式求解。

稳态：表示热解法只计算处于稳态的壁温的方法。壁面的热电容将不予考虑。

过余：表示管道和缸体的热解法可以在所有零件全部隐藏。当墙温解决方法不如暂态重要时可以选择这个选项。但是，设定时需慎重考虑。

参数：允许用户根据不同情况改变壁温求解类型。这个选项在计算壁温可灵活运用。例如，在稳态壁温的情况下运行方案一也可以在计算瞬时壁温的情况下运行方案二。

对大多数模板来说，下一个文件夹通常不需要修改。想要更改参数，请参阅GT-COOL用户手册第四章。另外，“ConvergenceRLT”文件中并不需要任何默认值。

输出设置

一旦“RUN SETUP”定义完成后，影响模拟输出的属性必须被定义。返回“RUN”菜单，选择“Output Setup.”。其中有三个文件夹。在“Output Setup.”中只有第一个文件夹包含执行模拟所需输出的属性。如下输入数值。

“RLT”的更新间隔属性用来确定在RLT独立对象的更新或RLT平均计算间隔的稳态检查中的步骤数。“Time RLT Storage Multiple”属性用来确定在rlt文件夹中可用的步骤数。请参阅GT-COOL使用手册了解更多信息。

方案设置

下一步是回到“RUN”菜单，选择“Case Setup”。由于只有两个参数用于模型中且我们对于初步模拟只运行一次，所以只有两个数值输入文件夹。对于周围压力参数，输入1bar，输入离散长度100mm。另外，确保方案一的“run it”选项被选定。

在模板创建和检测参数值时，设置参数是很有用的。例如，它可以检测离散长度，并可看到结果的运行和运行次数。一旦参数被创建，所有进一步的设置可在“Run/Case

Setup”中完成。

作为一项完成教程后的额外工作，返回“Run/CaseSetup”菜单，选择“Append Case”三次，分别填入离散长度：200mm，300mm，500mm。这个模拟将进行四次，每次的结果都与单独运行时相同。

输出设置

运行前的最后一个项目是复查。首先，每一个项目图使用的零件都有一个文件夹，称为模块选项。双击“a-p-in”零件，进入模块选项文件夹。选择静态压力，温度质量流率。对于“a-p-out”“w-p-in”“w-p-out”，重复上述操作。对于换热器的主侧，选择静态压力，温度，质量流率，传热的能量平衡，壁温，和空隙率。对于从侧，选择静态压力，温度，质量流率和壁的传热。

一旦所有复查选择都完成了，回到“RUN”菜单，选择“Plot Setup”。“ Plot Setup”窗口应与以后的窗口相似。

运行模拟

预处理模拟

通过点击GT-ISE工具栏中的“Run Simulation Preprocessing”按钮，模板可以进行预处理。该预处理模式可以用于以下用途：

对所有对象进行读取和错误检查。用户定义的大多数数据都是以RLT变量保存的，并且能够利用RLT后处理器提取。例如，所有管道和流道的尺寸，初始条件，摩擦和传热参数，表面粗糙度都可以在RLT后处理器的看到。所以这是一个非常好的方法来检查数据质量和复核模型。

一些参数对象在模拟开始前采取指定的输入数据以处理数据。这些参数对象产生的模块与输出的数据被保存起来，并可以用GT-POST读取。

我们将利用预处理模式执行包含在“HXNuMap”对象中的主从式换热器实验数据的回归分析（见建模部分）。正如先前所述，由于回归分析只进行一次，这将有助于最大限度减少模拟运行时间。执行回归分析遵循以下几个步骤：

点击GT-ISE工具栏上的“Run Simulation Preprocessing”按钮。

当回归分析完成后，我们将使用RLT浏览器观察相关数值。RLT浏览器包含在GT-POST中。GT-POST是GT-SUITE所有组件的模块与数据处理工具。现在我们将学习使用RLT浏览器，而后再学习GT-POST的基本使用。不过，欲了解更多信息，请参阅GT-POST手册。

点击GT-ISE工具栏上的“Open GT-POST "”按钮或从“RUN”菜单中选择“Open GT-POST”。

一个开放的对话框出现了。当前文件名显示在文件名方框中。如果没有从文件列表中选择，点击打开。GT-POST将打开文件并以树状陈列出用户选用的模块。打开RLT浏览器，点击浏览器屏幕左上方的大按钮，将显示换热器的图以及图上的以数字和有色等高线表示计算结果（如果在预处理模式下运行，将显示初值）。屏幕左边的选项可以让用户查看他们感兴趣的具体结果。

右击代表换热器水侧的灰色区域，并选择要浏览的零件[water-side]，将可以浏览相关数据，并复制粘贴到“HxNuCorr”参考对象。

从零件输出窗口的“Init”文件夹复制数据到“Nu Corr”的混流指数和湍流指数的文件夹中。用鼠标选择区域，Ctrl+C复制。

下一步，返回项目库，双击“HxNuCorr”模板，给属性赋以下数值，用Ctrl+V在正确的位置粘贴数据，命名为“nu-w”。

对空气侧重复上述过程。返回RLT浏览器和RLT数据框。复制“Nu Corr”中的湍流指数和湍流系数的数据。用鼠标选择区域，Ctrl+C复制。

点击项目库中的“nu-w”对象，选择复制对象，给属性赋以下数值，并用Ctrl+V粘贴到正确区域。命名为“nu-a”。

下一步，我们需要用“HxNuCorr”的“nu-w”和“nu-a”的参考对象替换主从式的“water-cir”和“air-cir”对象。双击水侧和空气侧的零件，编辑这些对象。用水侧的“nu-w”替换“hxmap”，用空气侧的“nu-a”替换“hxmap”，如下所示。

最后，将“HxNuMap”对象的计算属性设为“NO”。现在在运行模拟时并不需要每次都执行回归分析就可获得相关数据。

执行模拟

现在，该模型（(*.gtm 文件）准备进行模拟，点击GT-ISE工具栏上的“Run Simulation”按钮或“RUN”的下拉菜单，启动模拟。这也会自动保存模板。

这样将会弹出一个窗口，并以滚动文字的形式显示模拟的进程。第一条信息显示的是读取目录，即检查模型的完整性。如果求解器在数据中发现问题，便会发出一条错误信息。一旦检查无误，模拟计算便要开始了，并不定时报告进展情况。

GT-POST的后处理

注意由于补丁和缺陷的修改，如下显示的结果可能不完全符合你的要求。

在模拟成功完成后，通过在GT-ISE工具栏中选择“Open GT-POST"”按钮打开GT-POST。

这样便打开了一个开放的对话框。当前文件名都在文件名方框中。从文件列中选择，点击打开。GT-POST将打开文件，并以树状陈列出需要的模块。另外，根据GT-COOL的选项，特殊的模块也会出现，如下所示。

让我们检查几个简单换热器模型的模块。点击收敛模块并选定。右击并从中菜单中选择浏览。

使用过的收敛模块会出现在下面。虚线代表最后残值（红线）对每一步应达到或低于的允许值。

使用GT-POST工具栏中的翻页按钮，查看下一页。

出现过的收敛模块如下所示。每一步迭代20次或少于20次为好。

下面强调，“HXSlave”：空气侧的模块，点击加号，选择质量流率，右击并浏览模块。如下图。

可用如下的工具快速翻页。

下一步，选择温度模块，右击并选定浏览，图形如下。

欲获取更多关于后处理的信息，请参阅GT-POST手册。教程一到此结束。