单缸风冷汽油机缸头热负荷CFD分析.pdf

I n t e r n a lC o m b u s t io nE n g in e P a r t s 3 5 单缸风冷汽油机缸头热负荷C F D 分析 C F DA n a l y s iso fC y l in d e rH e a dH e a tL o a do fS in g l eC y l in d e rA ir co o l e dG a s o l in eE n g in e 高宏阁G A OH o n g g e 天津内燃机研究所 天津3 0 0 0 7 2 T ia n j inI n t e r n a lC o m b u s t io nE n g in eR e s e a r chI n s t it u t e T ia n j in3 0 0 0 7 2 C h in a 摘要 本文采用计算流体力学 C F D 的流固耦合方法对处于设计阶段的单缸风冷汽油机缸头热负荷进行了最高车速工况的校 核工作 首先 在C A D 软件中进行了缸头冷却系统3 D 建模 然后在网格软件中对模型进行了必要的求解域网格划分和边界条件定 义 最后针对最高车速工况进行了流固耦合热负荷分析 评估了缸头燃烧室 气道和散热片布置的合理性 为缸头开模前设计校验提 供了有力的计算依据 A b s t r a ct I nt h isp a p e r t h ef l u id s o l idco u p l in gm e t h o do fC F Disu s e dt och e ckt h eh e a tl o a do ft h ecy l in d e rh e a dint h es in g l es t a g e a ir co o l e dg a s o l in ee n g in ea tt h ed e s ig ns t a g e F ir s t l y t h e3 Dm o d e l in go ft h ecy l in d e rco o l in gs y s t e misca r r ie do u tinC A Ds o f t w a r e T h e n t h ed o m a inisd iv id e din t ot h eg r ida n dt h eb o u n d a r yco n d it io nisd e f in e dint h eg 而ds o f t w a r e F in a l l y t h ef l u id s o l idco u p l in gh e a tis ca r r ie do u tf o rt h em a x im u mv e h icl es p e e dL o a da n a l y s is a n dt h er a t io n a l it yo ft h ecy l in d e rh e a dco m b u s t io nch a m b e r a ir w a ya n dh e a ts in k L a y o u ta r ee v a l u a t e d w h ichp r o v id e ss t r o n gca l cu l a t io nb a s isf o rt h ed e s ig no fcy l in d e rh e a db e f o r eo p e n in g 关键词 风冷 缸头 热负荷 计算流体力学 K e yw o r d s a ir co o l in g cy l in d e rh e a d t h e r m a ll o a d C F D 0 引言 单缸风冷汽油机的缸头是燃烧和冷却系统的核心部 件 燃烧室的室型 气道布置 散热片布局等都会显著影响 汽油机性能 由于缸头开模周期长 模具成本高 修模困 难 因此在设计环节进行C F D 分析 1 4 1 以校验设计合理性 就显得极为关键 本文既考虑缸头的燃烧室和排气道热源 以及铝缸头 散热片自身的传热特性 又考虑整车在行车过程中冷却风 自然冷却过程 采用流固耦合方式分析整车在水平路面上 以最高车速8 5 k m h 工况行驶时缸头的热负荷分布 分析 缸头表面温度场和评估结构合理性 1 缸头冷却系统建模 基于缸头3 D 模型进行C F D 分析前必要清理 去除工 艺倒角和工艺孔 增加流体分析区域用以模拟缸头在行车 时自然冷却状态 冷却系统模型如图1 所示 图1 待分析的缸头冷却系统3 D 模型 利用G a m b it 软件对图l 模型剖分网格 最终得到的 网格如图2 所示 总共分成三个求解域 分别为内部固体 即缸头和两个流体区域 即中间的包裹体和外围的外流场 域 各求解域网格详情见表1 冷却空气所带走的热量由下列经验公式估算 Q 篱学 k J s 1 图2 是汽流马赫数在7 5 叶高截面上的分布图 由汽 流马赫数沿叶栅通道的变化规律图可以看出 在叶片的前 缘处有一个鞍点 在压力面的马赫数要比吸力面的小 沿 着轴向马赫数是逐渐增加的 在喉部区域达到最大值 脚黼 图2 马赫数在7 5 叶高处的分布图 4 结论 利用流体动力学数值计算软件C F X 对汽轮机低压末 三级叶栅内三维粘性蒸汽流场进行了数值计算 给出了各 汽流参数在叶栅通道子午面以及沿不同叶高截面的分布 规律 首先 子午面上的汽流静压沿轴向变小 沿径向变 大 马赫数沿轴向变大 沿径向变小 总体来说 压力越高 马赫数越小 出口根部温度最低 其次 叶片在不同叶高处 压力的变化是逐渐减小 在静叶的压力面 从约0 8 相对 叶宽压力急剧下降 在出口压力达到最小 在静叶的吸力 面 压力从进口降低并发生过度膨胀 然后汽流减速扩压 压力又开始增大 最后 在不同叶高截面处 从进口到出口 汽流静压力的变化在逐渐减小 速度在逐渐增大 在压力 面的马赫数要比吸力面的小 沿着轴向马赫数是逐渐增加 的 在喉部区域达到最大值 参考文献 f 1 1 王冠群 汽轮机低压级叶片技术研究进展 J 汽轮机技术 1 9 9 4 3 6 4 2 1 2 2 4 0 2 杨建道 空冷5 0 M W 机组低压缸变工况三维流场数值分析 m 热力透平 2 0 0 7 3 6 1 5 3 5 6 3 李宇峰 任大康 黄钢 空冷汽轮机低压末级变工况设计叨 热力透平 2 0 0 4 3 3 1 1 4 一1 6 4 竺晓程 王红涛 周代伟 等 汽轮机低压缸变工况特性的 数值模拟叨 热力透平 2 0 0 8 3 7 1 5 l 一5 3 严 囟 嘭 一 一 3 6 内燃机与配件 图2 固体及流体网格细节 表1 各求解域网格详情 所属区域网格类型单元数量节点数量单元尺寸iY i n 缸头四面体1 1 8 9 0 8 52 6 4 1 1 4 1 5 包裹体四面体 五面体1 2 9 5 5 0 92 7 0 6 7 6 3 外流场四面体 五面体1 0 0 9 8 1 91 8 1 4 7 1 7 式中 A 传给冷却系统的热量占燃料热量的百分数 汽油 机O 2 0 2 7 g 燃油消耗率 千克 千瓦 小时 N 功率 千瓦 h 低热值 干焦 千克 由式 1 结合该车油耗数据以及汽油机排量和压缩 比等设计参数指标 可以得到表2 边界条件 表2 最高车速行车工况边界条件 冷却散热k J s热生成率 1 0 8 w m L s理论风速m s入口温度o C 6 3 34 1 72 3 6 2 5 2 热负荷C F D 分析 冷却介质流体物性为空气 缸头材料固体物性为压铸 铝合金 湍流模型选用k 一 双方程模型 求解方式选用稳 态 分离解法 进出口边界条件见图3 图3 进出口边界条件示意图 蓝入 红出 通过F l u e n t 软件进行流固耦合热负荷分析 最终得到 最高车速工况下的缸头热负荷结果 缸头表面温度场云图 见图4 图5 缸头冷却隧道内速度矢量分布见图6 由图4 图5 可见 缸头两个高温表面温度场分布合 理 最高温度适中 缸头整体热负荷在最高车速工况时满 足设计要求 由图6 可见 增加缸头冷却隧道后燃烧室穹 顶有冷却风流经且风速较高 能起到加强冷却作用 能有 效改善缸头极限热负荷 该车采用的新型燃烧系统和缸头散热结构设计合理 有效 能对燃烧室 排气道等恶劣表面散热起到强化作用 比传统车型潜在热负荷危险更小 3 总结 该缸头在最高车速工况热负荷校核结果良好 通过 C F D 方法采用流固耦合分析能够有效预测自然风冷整车 噍一 嵯 j j 一 图4 最高车速工况缸头火花塞侧温度场云图 聪 2 稍 0 2 2 贸 t 2 7 0 2 0 j 钿诎 2 卫6 0 2 2 钿 0 2 20 0 2 I 驭b 0 罾 0 2 静 始 瞧j 躐 37 k 3 t 3 卫 27 2 t o o 2 i m 2 D h 0 t7 O O t 2 嘲 图5 最高车速工况缸头排气侧温度场云图 图6 最高车速工况缸头冷却隧道内速度矢量 缸头热负荷 该缸头采用的新型燃烧系统和散热结构设 计合理 燃烧室穹顶布置的十字交叉冷却隧道能显著加强 表面散热 相比传统车型冷却效果更好 利用计算流体 力学软件对缸头进行热负荷分析能够在设计阶段发现设 计中不合理结构和具体位置 有针对性的加以改善 从而 提高设计成功率 C F D 技术已成为现代内燃机设计中不可 或缺的工具并得到了广泛使用 参考文献 l 郭立新 杨海涛 等 某汽油机气缸盖热负荷分析叨 现代车 用动力 2 0 0 6