湍流邊界層對流固耦合分析的影響研究摘要：流固耦合作為一種全新的溫度場計算方法，具有效率高，計算準確等優點，廣泛用于發動機缸體缸蓋溫度場分析中。湍流邊界層設置對流動和換熱都有較大影響，本文正是對不同的湍流邊界層設置進行分析對比，并根據工程經驗，對y+進行判斷，從而確定出相對合理的設置。關鍵詞：湍流邊界層流固耦合溫度場換熱Abstract：Fluid-solidcoupledasanewtemperaturefieldanalysismethodhasmanyadvantages,suchashighefficiencyandhighaccuracy,beusedtosimulatetheengineblockandheadtemperaturefield.Turbulenceboundarylayersetissignificantforflowandheattransfer.Thispapersimulateandcontrasttwokindsofturbulenceboundarylayerset,andjudgethey+onthebasisofengineeringexperience,toconfirmamorerelativelyreasonableset.Keywords：TurbulenceboundarylayerFluid-solidcoupledtemperaturefieldheattransfer1前言缸體缸蓋溫度場分析不僅可以預測并評價發動機水套的冷卻效果，還可以快速高效的實現缸體缸蓋的結構優化工作，不僅可以應用在發動機概念設計和詳細設計過程中，也可以應用于發動機試驗驗證階段，以解決發動機爆震和可靠性試驗中出現的問題。缸體缸蓋溫度場分析涉及流固耦合分析方法和湍流邊界層設置方法，本文主要對后者進行了分析研究。2基本理論（1）湍流邊界層分類流體在大雷諾數下作繞流流動時，在離固體壁面較遠處，粘性力比慣性力小得多，可以忽略；但在固體壁面附近的薄層中，粘性力的影響則不能忽略，沿壁面法線方向存在相當大的速度梯度，這一薄層叫做邊界層。根據雷諾數的大小，邊界層內的流動有層流與湍流兩種形態，本文中涉及的水套內的流動邊界層屬于湍流邊界層。當所繞流的物體被加熱（或冷卻）或高速氣流掠過物體時，在鄰近物面的薄層區域有很大的溫度梯度，這一薄層稱為熱邊界層，缸體缸蓋溫度場計算中涉及到氣、固、液三相之間的換熱過程，因此屬于熱邊界層。（2）湍流邊界層理論從湍流邊界層的研究歷史來看，存在著兩種理論，它們分別發展又相互關聯．一種是統計理論．另一種是半經驗理論。①在統計理論中，把流體看做連續介質，把流速、壓力等的脈動值看做連續的隨機函數，通過各脈動值的相關函數和譜函數來描述湍流流動。按統計平均法，從中找出脈動結構，把各種平均值代入納維—斯托克斯方程及其他方程，得出所謂雷諾方程。但統計理論主要用于研究均勻各向同性湍流．對湍流邊界層流動并不適合．②在另一種半經驗理論中因為湍流邊界層方程的數目少于未知量的數※．方程組是不封閉的，因而需要補充一些關系式．由此而產生的一些不嚴謹的近似理論為半經驗理論．這些理論昌無嚴格的依據，但對解決工程上的許多問題很有用處。又因為其中有些系數是從實驗中求出的，所以用這些半經驗理論算出的結果，常與實驗較吻合，但它們的適用范圍有局阻性。常用的半經驗理論有：J.V.布森涅斯克于1877年提出的，用渦粘性系數計算雷諾應力的公式，普朗特的混合長理論(動量傳遞理論)：G．I．泰勒的渦旋傳遞理論，卡門的相似理論等。這些半經驗理論的缺點是對湍流的內部結構都沒有做分析，使用范圍有限。（3）湍流邊界層基本方程組連續方程速度邊界層方程溫度邊界層方程為二維不可壓縮流體平穩湍流邊界層基本方程組，其邊界條件為或上式中，為溫度邊界層外邊界上的溫度分布。3計算模型本文采用STAR-CCM+軟件進行網格劃分、物理模型設置、分析計算以及結果后處理等。模型中包括的零部件包括：缸體、缸套、缸體水套隔板、氣缸墊、缸蓋、緊固螺栓、火花塞、進氣門、排氣門、氣門導桿、氣門座圈等。流體網格模型選擇PolyhedralMesher,PrismLayerMesher,Surfaceremesher三項。設置基礎尺寸為2mm，最小相對尺寸為0.5mm，最大相對尺寸為2mm，三層邊界層，邊界層間的增長率為1.5。兩方案的不同點在于邊界層厚度的設置，方案一為0.5mm，方案二為1.2mm。方案一中水套的單元數是486萬，方案二中水套的單元數是433萬。方案一方案二圖1邊界層網格流體物理模型選擇：三維、定常、液體、恒密度、分離流、分離流體溫度、湍流、K-Epsilon湍流、可實現的K-Epsilon兩層模型、兩層所有y+壁面處理、雷諾平均納維-斯托克斯、梯度、沸騰、單位質量校正、壁面距離等。流體屬性為50%的水與50%的乙二醇的組成的冷卻液，其中密度給定1025.0kg/m^3，動力粘度給定8.5E-4Pa-s，比熱給定3640.0J/kg-K。流體邊界給定：進口設置為質量流量進口，質量流量給定3.59kg/s，出口設定為壓力出口，壓力給定1bar。4計算結果及分析計算得到了缸體缸蓋固體溫度分布結果，對兩個方案分析結果進行比較，可以看出：缸蓋固體最高溫度降低15℃，缸體固體最高溫度降低了5℃，最高溫度出現的位置均為發生變化。方案一方案二圖2缸蓋固體溫度場分布方案一方案二圖3缸體固體溫度場分布計算得到了缸體缸蓋水套溫度分布結果，對兩個方案分析結果進行比較，可以看出：缸蓋水套最高溫度降低了23℃，缸體水套最高溫度降低了5℃，最高溫度出現的位置均為發生變化。方案一方案二圖4缸蓋水套溫度場分布方案一方案二圖5缸體水套溫度場分布根據以上對比結果可以看出湍流邊界層的設置對傳熱的影響非常明顯，也就是說湍流邊界層設置的好壞將直接影響分析結果的準確性。5進一步分析在劃分網格時，把第一個內節點布置在對數律成立的范圍內，即配置到旺盛湍流區域。y+普遍存在于湍流問題中，網格劃分時，底層網格一般布置到對數分布律成立的范圍內，30<y+<200。從這一點來說，方案二的y+值有更多的部分在合理范圍內。但此范圍并未得到充分的驗證，即y+是否在此范圍內并不能作為判斷分析結果準確性的絕對標準。后期需進行發動機溫度測試，以驗證湍流邊界層的設置對流固耦合溫度場分析的影響，從而確定更準確的湍流邊界層設置。方案一