（光学工程专业论文）柴油机冷却系统结构优化及缸盖热应力分析.pdf

x 之二。，： 学位论文的主要创新点 一、在对三维冷却水套结构模型划分网格时，对缸体水套、缸盖水 套和缸垫采取了单独划分的方式，然后利用a r b i t r a r yc o n n e c t 将这三部分 连接起来。这样做的好处是在对改进后的模型网格划分时，只须重新划 分缸体水套网格，节省了网格划分时间。 二、在对冷却水套进行c f d 计算时，利用f i r e 里的c f d f e m 模 块输出了缸盖水套表面的温度和换热系数，为缸盖的有限元计算提供了 精确的冷却液侧热边界。 三、利用一维发动机性能仿真软件b o o s t ，建立了性能仿真模型， 计算出缸内温度和换热系数随曲轴转角的曲线关系，进而获得缸盖燃气 侧热边界，为缸盖热分析提供了相对比较精确的边界条件。 摘要 冷却水套是柴油机传热过程的重要环节，水套内冷却介质的三维流动直接影响 柴油机冷却系统的工作能力；尤其对高强化多缸柴油机，保持各缸冷却的均匀性十 分重要。内燃机中最易出故障的零件是处于高温、高压、强腐蚀环境中工作的缸盖， 其冷却水套的冷却能力影响着自身的强度和可靠性水平。通过c f d 方法获得整个冷 却水套的流场并结合有限元软件对气缸盖进行强度和可靠性分析，已成为当今发动 机改进及设计的重要分析手段。 本文利用c a d 软件p r o e 建立了柴油机水套模型，在此基础上应用c f d 软件 f i r e ，对该柴油机冷却水套进行了流场分析。通过对冷却水套的二维c f d 数值模拟， 得到了水套的速度场、温度场、换热系数和压力分布等信息，模拟结果表明：缸体 水套各缸间冷却液流速分布不均，缸盖水套存在局部冷却不足的现象，需要进一步 优化。为了验证模拟结果的准确性，本文通过水流试验测量了冷却液温度和水套进 出口压降，与模拟结果较为接近。根据分析结论，有针对性的对水套结构提出了两 种改进方案。通过对改型方案模型计算并与原方案进行比较，确定了满足冷却要求 的最佳设计方案。 最后，本文对气缸盖进行了流固耦合数值模拟分析，利用f i r e 计算出的缸盖水 套温度和换热系数作为缸盖热负荷分析的冷却液侧边界条件，利用一维发动机性能 仿真软件b o o s t 获得缸盖燃气侧加权平均的温度和换热系数，通过计算得到缸盖热 应力分布，结果表明，缸盖最大热应力集中在热负荷、温差较大的区域，最大热应 力低于抗掩强度。 关键字：柴油机冷却水套模拟分析热负荷流固耦合 a b s t r a c t c o o l i n gj a c k e to fd i e s e le n g i n ei sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ep r o c e s so fh e a tt r a n s f e r ， t h et h r e e - d i m e n s i o n a lf l o w o fc o o l a n td i r e c t l ya f f e c t st h e e n g i n ec o o l i n gs y s t e m e f f i c i e n c y ；m a i n t a i n i n gt h ec y l i n d e r sc o o l i n gu n i f o r m i t yi si m p o r t a n ti np a r t i c u l a rf o rt h e h i g h e n h a n c e dm u l t i c y l i n d e rd i e s e le n g i n e t h em o s tv u l n e r a b l et of a i l u r ec o m p o n e n t s i ni n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ei sc y l i n d e rh e a dw h i c hw o r k si nh i g h - t e m p e r a t u r e ，h i g h p r e s s u r e ，a n ds t r o n gc o r r o s i v ee n v i r o n m e n t ，c o n s e q u e n t l yt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o o l i n g j a c k e th a v eas t r o n gi m p a c to nc y l i n d e rh e a d ss t r e n g t ha n dr e l i a b i l i t y c a l c u l a t et h e c o o l a n tf l o wf i e l di nc o m b i n a t i o nw i t hf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ef o rc y l i n d e rh e a ds t r e n g t h a n d r e l i a b i l i t yh a sb e c o m et h em a j o re n g i n ei m p r o v e m e n t sa n dd e s i g no fa n a l y t i c a lt o o l s i nt h i sp a p e r , aw a t e rj a c k e th a sb e e ne s t a b l i s h e df o rd i e s e l e n g i n eb yp r o e ， c a l c u l a t e dw i t hc f ds o f t w a r e “f i r e ”f o rg e t t i n gt h ef l o wf i e l do nt h i sj a c k e t d u et o t h r e e d i m e n s i o n a lc f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ei n f o r m a t i o no nf l o wf i e l dh a sb e e n p r o v i d e d ，s u c ha sd i s t r i b u t i o no fh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，a n dp r e s s u r e l o s s e so fe n g i n ew a t e rj a c k e t t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a t s p e e do ff l o w d i s t r i b u t i o ni su n e v e nb e t w e e nc o o l i n gj a c k e t so fe a c hc y l i n d e r ，i na d d i t i o n ，t h e r e a r e s h o r t a g e so fs u b - c o o l i n gi nc o o l i n gj a c k e to fc y l i n d e rh e a d ，a n dn e e d i n gf u r t h e r o p t i m i z e d i no r d e rt ov e i l f yt h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，w a t e rt e m p e r a t u r ea n dt h e w a t e rj a c k e tc o o l a n tp r e s s u r ed r o pb e t w e e ni m p o r ta n de x p o r tw a sm e a s u r e d ，a n d s i m u l a t i o nr e s u l t si sc l o s et oe x p e r i m e n t a l t w ok i n d so ft a r g e t e di m p r o v e m e n t sf o r j a c k e ts t r u c t u r ea r ep r o p o s e db a s e do na n a l y s i s m o d i f i e dm o d e li sc a l c u l a t e d a n d c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lo n et od e t e r m i n et h eb e s tp r o g r a mt om e e tt h ec o o l i n g r e q u i r e m e n t i nc o n c l u s i o n ，f l u i d s o l i dc o u p l e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i si sc o n d u c t e dt ot h e c y l i n d e rh e a di n t h i st h e s i s ，i nw h i c ht h el a t e r a lb o u n d a r yc o n d i t i o n si n c l u d i n gt h e c y l i n d e rh e a dw a t e rj a c k e tt e m p e r a t u r ea n dt h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n tw h i c hw i l lb e u t i l i z e dt oc a l c u l a t ec y l i n d e rh e a dc o o l a n th e a tl o a di sa c q u i r e db yu s i n gt h es o f t w a r e f i r e m e a n w h i l e ，w e i g h t e da v e r a g eo ft h et e m p e r a t u r ea n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti sa l s o o b t a i n e db ya d o p t i n go n e d i m e n s i o n a le n g i n ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o ns o f t w a r eb o o s tv i a w h i c hc y l i n d e rh e a dt h e r m a ls t r e s sd i s t r i b u t i o ni sc a l c u l a t e d t h er e s u l t ss h o wu st 1 1 a t t h em a x i m u mt h e r m a ls t r e s se x i s t si nt h ea r e ab e i n gs u b j e c t e dt ot h em a x i m u m h e a tl o a d w i t hv a s tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea n dt h el a r g e s tt h e r m a ls t r e s sb e l o wt h et e n s i l es t r e n g t h k e y w o r d s ：d i e s e le n g i n e c o u p l e d w a t e rj a c k e ts i m u l a t i o n h e a t l o a df l u i d s o l i d 目录 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 柴油机冷却水套研究现状2 1 2 1 试验研究3 1 2 2 数值模拟4 1 2 3 流固耦合7 1 3c f d 及相关软件介绍8 1 4 本文主要研究内容9 第二章数值模拟基本理论1 1 2 1 流体动力学控制方程1 1 2 1 1 质量守恒方程1 l 2 1 2 动量守恒方程11 2 1 3 能量守恒方程1 2 2 1 4 控制方程的通用形式1 2 2 2 湍流模型与壁函数1 3 2 2 1 湍流模型1 3 2 2 2 壁函数15 2 3 耦合传热理论15 2 4 控制方程的离散化与计算方法1 6 2 4 1 控制方程的离散化1 6 2 4 2 离散方程的求解方法1 9 2 5 本章小结2 0 第三章柴油机冷却水套三维c f d 分析2 1 3 1 柴油机冷却水套的几何模型2 2 3 2 冷却水套的网格划分2 3 3 3 初始条件及计算边界条件。2 6 3 4 计算结果分析2 7 3 4 1 缸盖水套流场分析2 7 3 4 2 缸体水套流场分析3 0 3 4 3 压力分布3 2 3 5 冷却水套的水流试验验证3 3 3 5 1 测量点的选择3 3 3 5 2 测量结果与验证分析3 4 3 6 本章小结3 6 第四章冷却水套结构优化。3 7 4 1 柴油机冷却水套的设计原则3 7 4 1 1 缸盖冷却水套设计原则3 7 4 1 2 缸体冷却水套设计原则3 9 4 2 冷却水套结构改进方案4 1 4 3c f d 分析结果4 2 4 3 1 缸盖水套流场对比分析4 2 4 3 2 缸体水套流场对比分析4 4 4 3 3 压力分布对比4 8 4 4 各方案综合分析结论4 9 4 5 本章小结5 0 第五章缸盖热负荷仿真分析5 l 5 1 流固耦合传热实现原理与分析流程5 l 5 2 实体模拟5 3 5 3 有限元网格模型5 4 5 4 热边界条件5 5 5 4 1 燃气侧热边界条件5 5 5 4 2 冷却液侧热边界条件5 7 5 4 3 其余热边界条件5 8 5 5 计算结果分析5 8 5 6 本章小结6 0 第六章结论与展望6 l 6 1 全文工作总结6 1 6 2 展望6 2 参考文献6 3 发表论文和参加科研情况6 6 致谢6 7 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 8 9 2 年德国工程师r u d o l f d i e s e l 提出了一种新型内燃机专利，即在压缩终了将 液体燃料喷入缸内，利用压缩终了气体的高温将燃料点燃，它可以利用大的压缩比 和膨胀比，没有爆燃，热效率可以比当时其他的内燃机高一倍。这种构想在5 年以 后变成了一个实际的机器，即压燃式发动机柴油机【l 】。通过长期的持续改进与 提高，结合日新月异的高技术手段的应用，目前柴油机己经发展得比较完善。由于 它的热效率高、适应性好、功率范围宽广，已广泛用于工业、农业、交通运输业和 国防建设事业。随着人们生活水平的提高，车用柴油机发展最为迅速【2 1 。 发动机强化程度逐渐提高的同时，热负荷也将随之增加。发动机的热负荷在很 大程度上决定发动机的经济性和可靠性。从经济性考虑，零件承受的温度越高，冷 却液带走的热量越少，热损失就越少，发动机的热效率就高，但零件的热负荷就越 高。当零件的热负荷超过零件所能承受的限度时，零件的热疲劳强度将会下降，并 产生裂纹、烧熔等现象，导致内燃机不能可靠地工作，使用寿命缩短。发动机运转 时，零件受到高温燃气的强烈加热，必须采取冷却措施，否则会使发动机受热零部 件过热，不能可靠工作，充气效率降低，燃烧变差，润滑油膜厚度变薄，零件的磨 损加剧，从而导致发动机性能和可靠性变差。但是，如果冷却过度，会导致柴油机 工作粗暴，散热损失和摩擦损失增加，从而也会使发动机的性能下降。从提高发动 机热效率的角度出发，希望通过冷却系统散走的热尽可能少，但这必然受到零部件 可靠性的制约，二者之间存在矛盾。为兼顾两方面的要求，必须保持适宜的冷却温 度，优化冷却系统设计【3 1 。 现代车用柴油机一般都是采用的水冷型冷却系统，它除了要有足够的冷却能力， 保证在所有工况下柴油机出水温度低于限值外，还要考虑除气、膨胀空间、设置有 水温报警装置及密封良好，不得有漏气漏水现象，此外保证散热器合适的迎风面积 也相当重要，迎风面积过小会导致热量无法散发出去丽导致发动机水温高故障。冷 却水由水泵驱动，进行强制循环流动，冷却水流经的部件包括水泵、发动机水套、 节温器、散热器以及冷却系统的连接管路等。因此适宜的冷却能力取决于冷却系统 天津r 业大学硕十学位论文 各部件的合理匹配【4 川。 对于发动机水套，直接吸收来自气缸体、缸盖的高热负荷区热量，其结构的是 否合理直接影响发动机各受热件的冷却效果以及强度。随着柴油机排放与性能要求 的提高，以前采用的两气门技术逐步被四气门所取代，这样导致柴油机水套的内部 结构越来越复杂，冷却水道更难布置，而柴油机强化程度也大大提高，增加了缸盖 等零件的热负荷，这样冷却水套的设计就显得更加重要。 随着发动机增压技术的发展，发动机缸盖所承受的热负荷和机械负荷越来越重， 对发动机缸盖的设计提出了越来越高的要求。目前，缸盖设计与改进中最主要的目 标是优化冷却水流动与提高结构疲劳强度。通过优化冷却水腔结构，可以控制关键 部位的温度，获得较均匀的温度分布，降低功率损失及散热量，从而提高零部件的 可靠性与发动机的性能。在发动机缸盖冷却水腔的设计中，应做到“精确冷却”，缸 盖不同位置的冷却强度应根据对应处的温度和热流密度确定j 。 发动机零部件的热负荷水平常用最高工作温度，局部不同方向上的温度梯度及 其对应的热应力、热应变和局部承受的低频与高频热疲劳来评定，作为热负荷评定 与计算的基础是温度场，而温度场又与流场有紧密的联系。由于水套彼完全封闭在 内燃机缸体内部，很难采用实验的方法测量其流动情况，而冷却系统的流动与传热 现象足内燃机设计中的必须重视的问题。虽然可以制作透明的冷却水套模型，通过 模拟试验得出冷却水套的流场，然后针对性的改进以消除死水区和低速区，从而改 进冷却水套的设计。但是成本高而且设计周期长，已很难适应当前对设计周期越来 越短的要求。随着计算流体力学及计算机技术的发展，利用二维造型软件设计出缸 盖水道的三维模型，再利用计算流体力学软件计算流场得到了广大研究人员的认同。 如今计算流体力学软件比较成熟，计算出的结果与试验结果吻合得很好，而且设计 周期短，改进时需要的成本也低，而且还能计算出通过试验方法无法n y - i j 或难于测 到的一些参数，可以解决一些实际不能解决的问题，如高温与真实气体效应等【7 j 。 本文通过对六缸柴油机冷却水套进行c f d 模拟研究，并根据冷却水套的压力场、 速度场、温度场及换热系数分布等模拟结果对冷却水套进行了结构优化。 1 2 柴油机冷却水套研究现状 冷却水套是柴油机传热过程的重要环节，水套内冷却介质的三维流动直接影响 柴油机冷却系统的工作能力，进而影响整机的综合性能；尤其对高强化多缸柴油机， 保持各缸冷却的均匀性十分重要，这不仅关系到柴油机的动力性和经济性，而且关 第一章绪论 系到它的可靠性和耐久性。内燃机中最易出故障的零件是处于高温、高压、强腐蚀 环境中工作的缸盖，其冷却水套的性能影响着气缸盖本身以及整个内燃机的强度和 可靠性水平，因此，国内外的大多数研究都集中在发动机冷却水套流场及缸盖的强 度和可靠性方面的研究。 目前，对于柴油机冷却液流速、压力以及整个水套内流场分布的研究主要采用 试验研究和数值模拟两种方法。但随着世界范围内汽车行业竞争的日益激烈，各柴 油机牛产企业需要不断地迅速推出新产品和完善现有产品来占领市场，这就要求对 冷却水套及冷却系统的研究于段不能只局限于试验研究或者只局限于计算仿真研 究，而应该将它与计算仿真研究手段充分结合，充分利用两种手段的优势，才能达 到研究的目的。 1 2 1 试验研究 作为一种传统的研究方法，柴油机冷却系统试验研究一般在发动机冷却系试验 台上完成，以整个发动机水套作为研究对象。主要是进行水套内冷却液的流速和压 力测量，从宏观上了解冷却介质的流动情况。如采用皮托管法、热线法、热膜流速 法和激光多普勒速度仪获得水套内热负荷较高区域的速度参数【9 】；利用u 形管、机 械压力计和电磁式压力传感器定点测量流体压力。 流速测量和压力测量只适用于某一个固定点，当需要同时观察大部或全部流动 域内的流动情况时，这种方法显然不能很好的满足要求。利用壁面轨迹法、示踪法 和丝踪法获得冷却介质在水套内的流动情况。目前较先进的测量手段是利用激光多 普勒技术从微观上研究水套中冷却介质的三维流动情况，为水套设计以及数值模拟 提供可靠的试验依据。 国外对柴油机冷却水套的研究比较早，在2 0 世纪8 0 年代末，k a k a o k u b o z u k a t l0 1 、g a l l a n tt f l 、f i n l a yic 1 2 】、a o y a g iy 开始了对发动机冷却水套试验 的研究，为发动机的改进设计提供了依据。1 9 9 1 年a r c o u m a n i cc 1 1 4 】对2 5 l 柴油机 气缸盖和机体透明模型的冷却通道用激光多普勒测速仪进行了局部平均速度和均方 根速度测量，获得的结果非常详细，足以进一步证实此冷却剂流动模型的有效性。 1 9 9 2 年h o c h k o n i gm 1 5 】以压力差测量为基础，对高性能车用发动机冷却系统零部件 进行了试验和验证。同年，c o u e t o u xh t l 6 】对发动机气缸盖上两个气门座中间的冷却 水进行了测量，发现内壁温度与流量关系不大，以及随冷却水流量的降低，冷却水 温度对内壁温度的影响不断减弱，由此得出可大大降低冷却水流量而不致影响发动 机的可靠性。同时还发现燃油消耗随发动机出水温度增高而降低，冷却水流量对燃 天津1 ：业大学硕十学位论文 油消耗无明显影响，而冷却水温度的升高却有比较明显的影响。1 9 9 3 年s a n d f o r dm h 【1 7 】利用简单流动显示、激光光帘成像、颗粒图像测速和激光多普勒测速技术对四 缸发动机机体流场进行了定性和定量测量。将这些测量结果与模拟计算进行了比较， 显示具有很好的一致性，可以再现所有实测到的主要再循环数据。1 9 9 7 年p o r o tp a l l 列 和m e n e g a z z ip 【i9 】采用断层摄影术对高速、大负荷蒸发式发动机气缸盖进行了试验 研究，利用不同断面图片对水套不合理的地方加以改进，并进行热平衡试验，确定 发动机冷却水最佳的进口温度利压力。 从公开发表的文献资料来看，国内对发动机水套试验研究多集中在1 9 9 4 年以 后，装甲兵工程学院的王书义是最早开始探索的。1 9 9 4 年王书义 9 1 等人用实验方法 研究发动机冷却水三维流动的若干成果，内容包括发动机冷却水腔模型的水流实验 台构成，流动显影、流动测量方法的应用与效果，该项成果为今后该领域的实验研 究奠定了基础。1 9 9 8 年张忠进、刘巽俊【2 0 】模拟了柴油机工作条件，对机油、柴油及 不同配比的乙二醇水溶液等液体的自然对流沸腾传热特性进行了试验研究，揭示了 各种因素对传热的影响，通过对试验数据的回归分析得出了3 种非水冷却介质自然 对流沸腾传热关系式，为机油、柴油及乙二醇水溶液用于柴油机高温冷却提供了理 论依据。2 0 0 0 年上海交通大学的朱义伦、邓康耀f 2 1 】为了寻求发动机气缸头冷却水合 理的流场分布，避免出现流动死区，使发动机在一定的冷却水流量下保证气缸头足 够的冷却，采用激光多普勒测速仪( l d v ) 对发动机气缸头冷却水流场进行了测量， 得到了冷却水在平行于缸头与缸体接合面的二维流场。结果表明，发动机缸头冷却 水流场分布是合理的，有利于发动机的冷却。2 0 0 1 年屈盛官、黄荣华【2 2 】等人在论文 高强化柴油机气缸盖水流分布试验研究中专门开发了一个试验装置，采用流动 显形法对典型增压柴油机气缸盖进行水流分布试验，得到冷却水在缸盖中的二维流 场，对不合理的设计进行改进，减小了阻力并提高了流速，使缸盖得以充分冷却。 2 0 0 4 年天津大学的许振忠、李伟1 2 3 等人为验证柴油机冷却水套c f d 计算结果的准 确性，利用l d v 测速系统测量了c a 4 9 8 柴油机缸盖及缸体内流场1 2 个关键点处的 速度，并将试验结果与c f d 计算结果进行了比较。结果显示，除了缸体上3 个点的 实际测量结果与c f d 计算结果有较大偏差以外，其他各点试验数据与c f d 结果有 较好的一致性。 1 2 2 数值模拟 试验手段是改进冷却系统结构从而降低发动机热负荷性能的重要方式。然而， 制造样机和进行试验评估热负荷需要花费大量的时间，而且由于缸体和缸盖的冷却 第一章绪论 水流动路径非常复杂，直接测量流场的流动参数和温度是非常困难的。 近年来，随着现代计算技术的飞速发展，数值模拟方法已经越来越多的应用到 内燃机工程当中。数值模拟方法是基于计算流体力学( c f d ) 理论，对流场的控制方 程采用计算数学的算法将其离散到一系列网格节点上，求其离散数值解的方法，是 目前研究水套三维流动问题的重要手段1 2 4 - 2 7 】。以往需要通过大量试验得到的流动信 息可以通过模拟计算获得，与试验数据相比较，计算结果的准确性和可靠性令人满 意【2 妣9 】。同水流试验法相比，三维数值模拟的研究方法具有以下优点： 1 可预先研究。在内燃机开发的过程中，可对整机系统进行预先研究，从而得 到最佳的系统集成匹配，在设计初期阶段就能对内燃机性能和热管理效果进行预测、 分析和优化，为内燃机的设计、匹配优化和集成提供依据。 2 无条件限制。仿真可在广泛的气候条件和内燃机工况范围内对其性能进行研 究，无湍流、气温、气压、r e 数和工作极限条件等限制。 3 信息丰富。仿真研究可广泛设定条件对动力装置在各个工况下的系统性能进 行模拟，可以获得比实验更加丰富的信息，其中包括了众多目前实验难以测量和解 释的信息，如缸内流动与传热特性、内燃机系统动态特性以及系统之问的非定常相 互作用问题等。 4 成本低、周期短。与传热研究相关的传感器、实验台架等实验设备价格昂贵， 课题研究投资大、实验周期长。而数值仿真则相对成本低、周期短。 因此国内外专家很早就开始重视冷却水三维流动的数值模拟，但由于当时计算 软硬件水平的限制，还不可能对实际发动机冷却水二维流动进行精确计算，只能进 行比较简单的数值模拟。2 0 0 0 年以前的水套数值模拟分析只是初步模拟研究，而且 对发动机冷却水套几何模型进行了较大的改动。进入2 l 世纪，随着计算机软硬件水 平的发展，对发动机冷却水二维流动分析及冷却系统进行计算分析逐步走向成熟。 2 0 0 0 年k e n j io k u m u r a l 3 0 1 通过研究四面体与棱柱形网格尺寸与厚度对进气管与冷却 液流动c f d 分析的影响，得出有益的结论，通过这种新的方法可以快速生成网格， 并且能够改进压力损失与换热系数等参数的计算精度。2 0 0 1 年b e r n h a r du h l t 3 1 1 等人 通过运用三维的c f d 软件s t a r - c d 与自主开发的维热交换分析程序b i s s ( b e h r i n t e g r a t e ds y s t e ms i m u l a t i o n ) 耦合分析了各个冷却模块如散热器、冷凝器的性能，并 建立了正确的模型，成功地将不同的仿真软件集成在一起分析，与测试结果吻合较 好。2 0 0 2 年m a k k a p a t i 3 2 1 等利用c f d 商业软件f l u e n t 分析了v 8 发动机的水套， 在计算过程中将发动机中的一系列作为研究对象，计算模型中包括水泵和节温器， 在计算传热系数分布时，m a k k a p a t i 采用求解n s 方程和能量方程的方法，进而得 天津工业大学硕士学位论文 到表面对流传热系数分布，最后利用热膜流速仪测量了多个位置处的冷却液流速。 计算与试验结果相比较，两者平均流速结果相符，但紊流强度比试验测量值低了大 约5 0 。2 0 0 3 年f p i r o t a i s 【3 3 】等人认为要对发动机真实地仿真出瞬态热状态，必须 将燃烧模型与发动机冷却系统的热模型耦合起来分析，并实现了这个过程。2 0 0 4 年 j i a n y e t 3 4 1 等人对赛车发动机冷却系统进行了c f d 模拟和试验研究，研究了不同流动 形式对赛车冷却性能的影响，以优化发动机冷却系统，并利用商业软件f l u e n t 进 行了室温下冷却水流场的纯流动数值模拟，并通过发动机台架试验，测量气缸套壁 面和气门阀座等处的温度，比较不同进水口方案和不同气缸盖垫片方案组合时流动 性能的差异，分析了冷却水流动情况对传热的大致影响，通过结构优化来实现更好 的冷却效果。 国内学者研究发动机冷却系统数值分析比较缓慢，只是做了一些基础性的初步 探索。但到了2 0 0 0 年以后，随着计算机软硬件的发展和c f d 商业软件的推出，国 内学者对发动机冷却系统的模拟多了起来，取得了一些成果。 1 9 9 4 年王书义【3 5 1 等人对发动机冷却水三维流动进行数值模拟基础研究，应用 s i m p l e 算法对具有发动机冷却水腔复杂形状的箱体内的水进行了三维流动模拟计 算，并与模型的试验结果对比，证实其方法的可行性。但对复杂三维流动的计算只 是处于初步研究阶段。2 0 0 0 年武汉理工大学的常思勤【3 6 j 等人白行开发了计算发动机 冷却水三维流动的软件，但未考虑传热及复杂结构的影响，只对单独的简化模型进 行了数值模拟。2 0 0 3 年，陈群、刘巽俊【37 】等人利用f l u e n t 软件，选取标准k 一占双 方程湍流模型，对c a 4 9 8 柴油机的冷却水套进行了c f d 模拟，计算了冷却水套内 冷却液的流场分布情况，并对热负荷较高的燃烧室、排气道周罔和缸体上半部分区 域的冷却情况以及整个系统内的压力损失进行了分析评价。2 0 0 4 年，一汽技术中心 的董春波【3 8 】等人对分体式柴油机水套进行了c f d 模拟计算，并且介绍了缸盖水套 结构调整的基本原则及其计算网格的选取方法，并对三种方案的缸盖水套流场进行 了分析，指出迸一步减小沿进气道侧、两缸相邻区域连接截面的面积可以显著减少 此区域的冷却液流量，同时在缸盖底部加导流盘可以取得更好的冷却效果。2 0 0 5 年， 河南科技大学的陈巍( 3 9 】以某型双缸柴油机的气缸盖为研究对象，利用c a d 软件建 立了气缸盖冷却水芯的模型，并用c f d 软件对其冷却水流场进行模拟计算，以图形 化的方式再现了稳态情况下冷却水的流场和温度场。并从中找出了原型气缸盖“鼻 梁”区冷却效果欠佳的缺陷，在原型基础上围绕“鼻梁”区的结构提出两种改进方 案并用c f d 进行验证计算。结果表明，改进方案可以明显提高气缸盖的冷却效果， 同时也说明了在c a d 和c f d 软件的配合下，气缸盖的结构改进设计可以快速进行， 第一章绪论 缩短了设计周期，提高了设计的针对性，具有较高的实用价值。2 0 0 8 年白敏丽【4 0 】 尝试将c u 水纳米流体应用到内燃机冷却系统中，并利用大型通用c f d 软件 s t a r c d 针对不同浓度纳米流体的内燃机冷却系统进行三维数值模拟计算。通过计 算可以得到传热工质的流场、压力场及壁面换热系数的空间分布。结果表明，以c u 水纳米流体作为传热工质可以显著提高内燃机的散热性能，且散热量随着纳米粒子 浓度的增大而增大，为今后满足更高热负荷内燃机的设计提供一种新的冷却途径。 1 2 3 流固耦合 内燃机冷却系统的研究内容不仅仅是其流动问题，传热也极为重要，为了更客 观地研究柴油机冷却系统的流动与传热问题，需要把柴油机冷却系统的流动与传热 问题进行耦合研究。流固耦合的思想是将有着相互作用( 流动和传热) 的流体和固体 同时建立模型并离散各a 的传热控制微分方程，具有边界自动耦合功能，该方法需 要在流、固两种边界上进行多重的互动迭代计算。由于受到计算机发展的限制，近 年来流固耦合才开始在内燃机领域应用。 2 0 0 5 年大连理工大学的白敏丽等【4 1 】将活塞组一润滑油膜气缸套冷却介质作为 一个耦合体，采用顺序耦合的方法对整个系统进行数值模拟。气缸套外壁的温度场 由活塞组一润滑油膜气缸套耦合系统的传热有限元分析软件计算得出，并以此作为 冷却水套的热边界条件，利用s t a r c d 软件模拟得出了直列六缸柴油机冷却水套 的速度、压力和传热系数分布。2 0 0 6 年陈红岩、李迎【4 2 】采用耦合分析方法将相互作 用的固体部件和流体部分作为一个整体进行研究，计算时可只定义系统外部边界条 件，解决了确定固体、流体耦合传热系统的内部边界条件的难点。在进行有限元流 固耦合传热计算方法研究基础上，对1 3 5 型发动机中活塞缸套冷却水系统进行数值 仿真，试验证明计算具有较高的精度。2 0 0 8 年奇瑞公司杨万里 4 3 】等人建立内燃机部 件或者整机详细的传热分析模型，整机模型包括缸盖、火花塞、进排气门、缸体、 汽缸垫及框架的详细有限元模型。采用a v l f i r e 软件，将流体传热边界分成层流 和湍流区域，应用k 一占湍流模型分析了内燃机水套等与壁面的对流换热情况；通过 a v l b o o s t 软件进行热力学模拟并结合试验经验确定燃烧窒壁面的传热边界条 件；最后，将c f d 计算出的对流边界条件映射至结构边界单元表面，建立起内燃 机结构传热分析的边界条件。采用该方法对发动机缸盖、排气歧管以及发动机整机 进行了热负荷分析，模拟结果与实验结果吻合良好。采用该模拟方法，可以对发动 机高热负荷部件进行故障诊断、结构修改，同时，可以用于发动机详细设计阶段的 结构评判。 天津t 业大学硕十学位论文 1 3c f d 及相关软件介绍 计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过计算机数值计 算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场 和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方 式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获 得场变量的近似值】。 英国人t h o m 于1 9 3 3 年首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程， c f d 技术因此而诞生。在之后几十年，c f d 技术经历了三个发展阶段：初始发展时期 ( 1 9 6 5 1 9 7 4 ) ，工业领域应用时期( 1 9 7 5 - 1 9 8 4 ) 和高速发展时期( 1 9 8 5 一至今) h 引。c f d 商业软件的出现与应用，对c f d 技术在工程应用中的推广起了巨大的促进作用。目 前世界上有几十种c f d 商业软件，如c f x 、l u l u e n t 、s t a r c o 、f i r e 等。 本文使用a v lf i r e 的前处理f a m eh y b i r d 在几何模型的基础上划分计算网格， 利用f i r ev 8 5 对柴油机冷却水套进行计算。该软件是由奥地币i j a v l 公司专门针对发 动机开发研究的c f d 软件，目前在国内发动机行业应用比较广泛。它是建立在a v l 公 司强大的实验能力和多年来研发各类发动机的经验之上。它可以求解最复杂的进气 道流动、内燃机缸内流动和详细的喷雾燃烧现象等。从而指导优化进气道形状、燃 烧室结构、喷射参数和排放物牛成的降低等。该软件是集前处理，求解器和后处理 于一体的软件包，在同一界面能实现二维流动分析的全过程，有非常友好的用户界 面。除了具有通用c f d 软件的功能外，它还有一下优势： ( 1 ) 先进的前处理f a m ep r e p r o c e s s i n g - - a 动网格生成器 f a m e 里基于八叉树过程的自动网格生成工具可实现又快又稳定的网格生成。网 格建立过程的算法对表面质量不敏感，只要表面的缝隙宽度不超过该处网格的大小， 就不会影响网格的a 动生成。f a m e 也提供了一系列修补工具，可对不符合要求的 c a d 数据进行修正。c a d 数据一般通过s t l 接口读入。网格种类和局部细化策略可 由用户选择：可牛成六面体、四面体或混合型网格，不同部分的网格可通过一一对 应或任意交界面方式连接。一旦选定网格生成策略，网格建成后带有用户定义的贴 体网格层数以确保计算结果的高精度。f a m ea d v a n c e dh y b r i d 这种网格牛成工具有 自动识别模型大小的功能，能有效地处理局部结构尺寸差别很大的模型，如对于模 型的某些比起其它部位要小很多的部位它能自动识别到，并作相应的网格细化。 ( 2 ) 功能强大的求解器 第一章绪论 a v lf i r e 采用最先迸的以网格面为基准的适用于任意形状多面体网格的有限体 积法求解技术，所提供的湍流模型中除通用的模型外，还有a v l 提出的复合湍流模 型，结合了k 一占模型的快速稳定性及r s m 模型的高精度性。在求解过程中，可以对 重要的收敛信息、时间步长和流场的平均值随时间的变化进行监控，求解参数诸如 松弛因子、时间步长、代数方程解算器、结果输出等，都可以在不停止计算的情况 下容易地被修改。 冷却水套模拟计算早已列入发动机开发过程的常规计算。f i r e 中有预设的针对 水套的计算参数模板文件，在准确预测热传导方面，除有对流换热模型，还考虑某 些局部的沸腾换热，同时与通用有限元软件可直接耦合以计算出准确的传热和温度 场；先进的多相流模块使准确计算冷却水灌注的瞬态过程成为可能，这类模拟分析 有助于预测水套中残存气泡的部位，以修改结构排除局部过热的隐患。 ( 3 ) 杰出的后处理功能i m p r e s s i m p r e s s 包括了所有实现快速及高质量地显示评估结果的工具。重要的功能有： 动态平移切面，多切面多变量选择，阴影，透明，对表面加纹理及进行渲染，加阴 影的矢量，表面流线，先进的颗粒跟踪，用于在数分钟内制作动画的电影导演。 1 4 本文主要研究内容 随着现代柴油机强化程度越来越高，零部件工作环境越来越恶劣，日益严格的 排放标准也对柴油机冷却系统提出了新的要求。本文通过对六缸柴油机冷却水套进 行c f d 计算分析，计算出了冷却水套的压力场、速度场、温度场及换热系数分布，并 通过简易水