1、第25卷(2007第3期內燃機學報Tran s acti on s of CS I CEVol .25(2007No .3文章編號:100020909(20070320252206252041收稿日期:2006209214;修回日期:2006212215。作者簡介:李迎,講師,博士,E 2mail:liyingcjlu .edu .cn 。發動機冷卻系統流固耦合穩態傳熱三維數值仿真李迎1,俞小莉2,陳紅巖1,李孝祿1(1.中國計量學院機電工程學院,浙江杭州310018;2.浙江大學機械與能源工程學院,浙江杭州310027摘要:為解決發動機傳熱計算時冷卻水與缸套、機體之間的流動與傳熱耦合邊界問題

2、,建立了發動機活塞組缸套冷卻水機體三維流固耦合系統,并利用有限元分析軟件的流固耦合計算功能,把單個零件的傳熱外邊界條件處理成內邊界,使得傳熱仿真更合理更簡單。以某增壓柴油機為例,用有限元分析軟件ANSYS 對建立的三維流固耦合模型進行了穩態傳熱數值仿真,得到了耦合系統的溫度場和流場云圖。與標定工況下活塞和缸套的溫度場測量數據進行了對比分析,結果表明:仿真結果與實測數據吻合較好,誤差控制在80/0以內。由此說明應用流固耦合仿真方法可以較好地模擬發動機穩態傳熱。關鍵詞:流固耦合;穩態傳熱;數值仿真;發動機中圖分類號:TK421.1文獻標志碼:A32D S i m ul a ti on of Ste

3、ady Hea t Tran sfer of Flu i d 2Soli d Coupled System i nEng i n e Cool an t Syste mL IY i n g 1,Y U X i a o 2li 2,CHEN Hong 2yan 1,L I X i a o 2L u1(1.College ofM echanical and Electrical Engineering ,China J iliang University,Hangzhou 310018,China;2.College of Mechanical and Energy Engineering,Zhe

4、jiang University,Hangzhou 310027,China Abstract :To s olve the coup led fl ow and heat transfer boundary p roblem bet ween the s olid cylinder and fluid coolant,a fluid 2s olid coup led system including p ist on 2liner 2coolant 2body was established .Modern FEA s oft w are can solve the fluid 2solid

5、 coup led heat transfer p r oblem by transfor m ing outer boundary condi 2ti on t o inner boundary conditi on and makes heat transfer si mulati on more reas onable and si mp le .A s a veri 2fying examp le,the steady heat transfer of a 32D coup led system in a turbocharged diesel engine was si m u 2l

6、ated by FE M s oft w are named ANSYS .Comparis on bet ween si mulati on and measurement on the p iston and liner at the rated operati on mode sho ws that the si m ulated results are in good agreement with experi mental data and the deviation is less than 8%.Thus,fluid 2s olid coup led method can si

7、mulate the engine steady heat transfer .Keywords :Fluid 2s olid coup led system;Steady heat transfer;Numerical si mulati on;Engines引言受到計算條件的軟硬件方面限制,以往進行發動機傳熱計算時,對缸內燃氣流動與傳熱、燃燒室零件傳熱、冷卻系統和潤滑系統的流動與傳熱的仿真模擬是單獨研究的1。但是作為機械結構和傳熱特性都十分復雜的發動機來說,這種把零部件分別做獨立研究的方法存在著重大缺陷,即不能體現各零件之間的相互影響關系,不能從全局反映發動機的工作狀態。尤其是冷卻水的流動

8、與傳熱和缸套、機體之間的相互影響不能進行合理、透徹地分析2。由Morel 3提出的將內燃機的缸內氣體和全體燃燒室部件作為一個整體進行計算機模擬的全仿真模擬在現階段還難以實現。近年來,很多有限元分析軟件已經可以實現流固耦合傳熱仿真功能4,考慮將此方法應用于發動機中傳熱關系比較復雜的冷卻水和固體零件之間的流動與傳熱耦合仿真。 應用流固耦合傳熱方法可以更深入地研究發動機工作時冷卻水和固體零件之間的換熱狀態,同時將流體與固體之間的外邊界條件變成相對簡單的內邊界進行處理。這樣,不但使數值仿真更加符合發動機的實際工作狀態,又減少了施加邊界條件的復雜度。1微分方程及其求解1.1流動與傳熱微分方程發動機水套內

9、冷卻水的流動看作是三維無壓縮的湍流,其流動和傳熱過程遵守質量守恒、動量守恒和能量守恒定律。在有限元軟件中,固體的傳熱也通過能量守恒方程求解。與流體傳熱不同之處在于其速度為零,其傳熱規律滿足傅里葉導熱定律。以張量形式表示的3個守恒方程及固體零件導熱方程如式(1式(4所示5。質量守恒方程為99t+(U =0(1動量守恒方程為9(U 9t=F -p +U (2能量守恒方程為9(c p T 9t=+T +q(3固體導熱微分方程為2T =0(4式中:U 為速度矢量;p 為流體壓力;為流體的動力黏度;c p 為流體的比熱容;為導熱系數;F 為作用在流體上的質量力,在重力場中F =g;q 為流體所吸收的熱量

10、;T 為流體或固體溫度;為能量耗散函數。湍流模型采用時均形式的微分方程,在充分發展的湍流區域,反映湍流脈動量對流場影響的湍流動能方程和湍能耗散率方程可通過標準k 2方程得到,其形式為9k 9t =99x i +t k 9k 9x i +G k +G b -(599t =99x i+t s 99x i +G 1k(G k +G 2G b -C 22k(6式中:k 為湍流動能;為湍流動能耗散率;t 為湍流黏度,t =C k 2/;G k 為由于平均速度梯度引起的湍動能k 的產生項;G b 為由于浮力引起的湍動能k 的產生項,G b =0;C 1、C 2、C 、k 、為經驗常數,C 1=1.44,C

11、 2=1.92,C =0.09,k =1.0,=1.3。1.2耦合邊界及微分方程的數值解法對于耦合傳熱來說,熱邊界條件是由熱量交換過程動態地加以決定而不能預先規定,不能用常規的三類傳熱邊界條件來概括。流體和固體邊界上的熱邊界條件受到流體與壁面之間相互作用的制約。這時無論界面上的溫度還是熱流密度都應看成是計算結果的一部分,而不是已知條件。解決耦合問題的有效數值解法有順序求解法和整場離散、整場求解方法。后者把不同區域中的熱傳遞過程組合起來作為一個統一的換熱過程來求解,不同的區域采用通用控制方程,區別僅在于擴散系數及廣義源項的不同。采用控制容積積分法來導出離散方程時,界面上的連續性條件原則上都能滿足

12、,省去了不同區域之間的反復迭代過程,使計算時間顯著縮短,成為解決耦合傳熱問題的主導方法。在流固耦合界面處,使用有限元軟件提供的標準壁面函數法處理流動邊界層和傳熱邊界層4。壁面函數法實際是一組半經驗的公式,其基本思想是:對于湍流核心區的流動使用k 2模型求解,而在壁面區不進行求解,直接使用半經驗公式將壁面上的物理量與湍流核心區內的求解變量聯系起來。這樣,不需要對壁面區內的流動進行求解,就可以直接得到與壁面相鄰控制體積的節點變量值。但是壁面函數法必須與高Re 數k 2模型配合使用。發動機冷卻水的雷諾數Re >5000,且流動方程使用k 2模型求解,符合壁面函數法的使用條件。使用有限元軟件進行

13、仿真時,可根據所建立的仿真對象模型,設定不同零件各自的材料特性,流體的進出口邊界及固體的外邊界確定后直接施加在有限元模型上,并選定流固邊界的計算條件標準壁面函數法即可。2發動機流固耦合模型2.1三維有限元模型以某6缸增壓柴油機為例,建立其活塞組缸套冷卻水機體三維流固耦合模型。柴油機的缸徑為0.13m ,行程為0.14m ,標定轉速為2100r/m in,標定功率為154k W 。對該算例的流固耦合系統進行了穩態工況下的流動與傳熱數值仿真。對所建立的模型有如下幾點假設:1活塞在缸套內只做直線運動,不考慮其橫向擺動,活塞和缸套間的潤滑油膜厚度均勻;2活塞環與活塞環槽無間隙,無燃氣泄漏;3穩定工況下

14、水泵工作穩定,冷卻液的壓力和流速均保持為恒定值;4各缸工作均勻,只選取中間一缸為仿真對象,3522007年5月李迎等:發動機冷卻系統流固耦合穩態傳熱三維數值仿真水套和機體形狀都進行了簡化。使用有限元仿真軟件ANSYS10.0中的F LOT RAN 模塊進行三維流動與傳熱耦合計算。選用三維流體單元以自動加密形式劃分網格,共產生570955個單元,如圖1所示 。圖1發動機流固耦合系統三維有限元模型圖F i g .132D f i n ite elem en t m odel of eng i n es flu i d 2soli d coupled syste m活塞組缸套冷卻水機體流固耦合模型中

15、各零件材料特性如表1所示。表1耦合系統各零件的材料特性Tab .1Parts ma ter i a l properti es of coupled syste m 名稱材料導熱系數/(W m -1K -1密度/(kg m -3比熱容c p /(J kg -1K -1活塞共晶硅鋁合金1502700880缸套硼鑄鐵457500420活塞環合金鑄鐵407500470冷卻液水0.410004200機體灰鑄鐵4575004202.2燃氣側熱邊界條件由自編缸內工作過程程序計算得到算例柴油機標定工況下的缸內燃氣溫度和換熱系數,工作過程計算采用零維燃燒模型,采用Woschni 公式6計算燃氣瞬時換熱系數,計

16、算得到的缸內燃氣瞬時溫度和換熱系數如圖2、圖3所示。由于數值仿真中需要的是燃氣循環平均溫度T m 和換熱系數m ,經式(7、式(8計算后施加在活塞頂面、缸套內表面與活塞第一環接觸線以上部分,則T m =720T d 7200d (7m =720d 720(8式中:為缸內燃氣瞬時換熱系數,W /(m 2K ;T 為缸內燃氣瞬時溫度,K 。2.3活塞、缸套底部潤滑油換熱目前活塞內腔和缸套下部與潤滑油霧之間還沒有一個很好的換熱關系式,但根據熱平衡關系,在穩態時流入的熱量等于流出的熱量,燃氣熱量從活塞頂流向環區和內腔。結合傅里葉公式和牛頓公式即可算出內 腔的換熱系數7為h =(t w 1-t w 2(

17、t w 2-t oil (9式中:h 為潤滑油霧與活塞、缸套壁面的換熱系數,W /(m 2K ;為活塞頂中央與正下方的活塞內腔壁厚,m ;t w 1為活塞頂溫度,K;t w 2為活塞內腔溫度,K;t oil 為底部潤滑油霧溫度,K 。由于活塞頂和活塞內腔溫度為待求溫度,所以首先根據所計算的柴油機型號和工況取不同的初值,經迭代運算后可確定終值。圖2缸內燃氣瞬時溫度F i g .2Tran si en t te m pera ture of the ga s i n cyli n der圖3缸內燃氣瞬時換熱系數F i g .3Tran si en t hea t tran sfer coeff i

18、 c i en t of thega s i n cyli n der2.4冷卻水邊界機體內冷卻水的流動認為是三維不可壓縮紊流流動,入口采用速度邊界,由標定工況下水泵的泵水量及入口面積確定。出口采用自由出口邊界。452內燃機學報第25卷第3期3數值仿真結果及分析 將上述流固耦合系統的各零件材料特性和邊界條件施加到有限元模型上,計算收斂后得到柴油機活塞組缸套冷卻水機體流固耦合系統在標定工況下的溫度場和流場。圖4為耦合系統溫度場剖面圖,從圖4中可以看出,標定工況下耦合系統的最高溫度為599.2K,最高溫度點出現在活塞喉口處。柴油機工作時,活塞高速往復運動過程中,喉口處受缸內高溫燃氣沖刷最為嚴重。耦

19、合系統的溫度場以活塞上頂面為中心,溫度沿徑向逐漸降低,沿軸向向下也呈逐漸下降的趨勢 。圖4流固耦合系統縱剖面溫度場云圖F i g .4Te m pera ture con tour cross secti on ofthe flu i d 2soli d coupled syste m活塞是整個系統中溫度最高的零件。該機型的活塞為偏置型燃燒室,活塞的溫度分布隨燃燒室的偏置呈現出不對稱性。高溫的活塞經活塞環和潤滑油膜向缸套傳熱,缸套上部溫度明顯高于下部分。缸套的溫度分布如圖5所示。可見,缸套的溫度分布非常不均勻,最高溫度出現在與第一活塞環接觸之處。由于建模時將水套簡化為簡單的圓筒形狀,使得冷卻水

20、套的結構不合理,造成流場分布不均,從而使缸套溫度分布不均勻程度加劇 。圖5標定工況時缸套溫度場云圖F i g .5Te m pera ture con tour of the li n er a tthe ra ted m ode為了能更深入地分析缸套內壁的溫度分布狀態,沿缸套軸向在缸套內表面選取了4條路徑,如圖6所示。以缸套的上端面為起點,將其內壁上沿這些路徑的溫度梯度做成如圖7的曲線。曲線顯示缸套內表面的溫度隨著離缸套最頂端的距離越大,總體呈下降的趨勢。但是在缸套與活塞環接觸處溫度有所升高,曲線出現了拐點。這是由于活塞的熱量在此處經活塞環傳遞到缸套。曲線波動較大,說明缸套的溫度并不是均勻分

21、布的,這是由于冷卻水套的流場分布不均而造成零件的各點有溫度差別。由此可見,在前人對缸套溫度場模擬計算中把水套流動簡化為一維管內紊流的做法與實際情況差別較大 。圖6缸套溫度梯度路徑示意圖F i g .6Sketch map of li n er te m pera ture pa th圖7標定工況時缸套內表面溫度曲線F i g .7Te m pera ture curve of li n er i n ter i or surfacei n ra ted m ode使用流固耦合傳熱仿真方法計算結束時,不但可以得到固體零件的溫度場,同時可以得到冷卻水的溫度場和流場矢量分布狀態,有利于更深入細致地探討流體和固體之間的傳熱影響關系。圖8為標定工況時冷卻水套的溫度場分布云圖。冷卻水套的溫度分布非常不均勻,最高溫度出現在與缸套上部接觸部分。從耦合系統溫度分布和缸套溫度5522007年5月李迎等:發動機冷卻系統流固耦合穩態傳熱三維數值仿真曲線可以看出,缸套上部溫度明顯高于下部分。這就要求冷卻系統在上部應該有較好的冷卻效果,冷卻液流速應比較大,并形成包圍缸套的環流。圖9為冷卻水套的三維矢量流場,標定工況下的最大流速接近7.0m /s 。但是入口處和出水口處的速度比較高,包圍缸套的部分流動比較均勻,而且上部基本沒有形成周向環流。這是由于該模型過于簡化,沒有起到實際發動機運行時冷卻水套的設計要