（人机与环境工程专业论文）某发动机滑油散热系统的性能研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘要摘要 本文针对某发动机地面滑油散热系统超温问题，采用数值模拟和试验的方 法对其进行了研究。首先介绍了发动机滑油系统的作用和滑油超温的重大危 害，对某发动机的滑油系统及滑油散热系统的结构和工作原理进行了说明，提 出了解决滑油超温问题的解决方案；然后介绍了本文使用的 cfd 软件 fluent 及其前处理器 gambit 的功能，说明了本文用到的湍流模型、网格 划分方法以及数值求解方法，用算例验证了数值模拟方法的可行性；用该数值 模拟的方法对引射系统的设计方案进行评估，确定改进方案的可行性；最后在 数值模拟的基础上开展试验研究，根据试验结果确定了改进后滑油散热系统的 结构，并对改进后滑油散热系统的散热性能进行试验研究，结果表明改进后的 滑油散热系统能够满足发动机的滑油散热要求。 关键词：多喷嘴引射器，fluent，数值计算，试验研究，流动，传热 某发动机滑油散热系统的性能研究 ii abstract in this paper, the overheating problem of an engine oil cooling system (eocs) while working on ground was studied with numerical simulation and experiments. the function of eocs and the adverse effect of oil overheating were introduced. there was an introduction of the structure and working theory of an engine oil system (eos) and eocs. the software fluent and its pre-processor gambit which were used in this paper were described. there also was an introduction of the turbulent model, grid partition and numerical methods. the method to deal with the oil overheating problem was proposed, and the validation of the numerical method was provided. there was an evaluation of the ejecting system design scheme with numerical simulation method. the feasibility of modified scheme was confirmed. the structure of improved eocs was confirmed according to experimental result which was got at the base on numerical simulation. its heat-sinking performance was also studied through experiments. the result indicated that the modified eocs could meet the requirements of engine oil cooling. keywords: multi-nozzle ejector, fluent, numerical calculation, experimental research, flow, heat transfer 某发动机滑油散热系统的性能研究 vi 图表目录图表目录 图 1.1 发动机滑油系统结构图.5 图 1.2 发动机滑油散热系统结构图.6 图 2.1 fluent 基本程序结构.11 图 2.2 多喷嘴冷风道试验装置.29 图 2.3 多喷嘴冷风道数值计算模型.30 图 2.4 多孔喷嘴几何尺寸.30 图 2.5 喷嘴周围区域网格图.31 图 2.6 其他区域网格图.31 图 2.7 计算区域整体网格图.32 图 2.8 引射比随主引射流流量变化图.34 图 2.9 对称剖面上的速度矢量图（工况 1）.35 图 3.1 引射系统数值计算基本几何模型.36 图 3.2 滑油散热系统数值模拟模型分块情况.38 图 3.3 结构化网格局部放大图.38 图 3.4 边界层网格局部放大图.39 图 3.5 非结构化网格局部放大图.39 图 3.6 计算区域整体网格图.39 图 3.7 引射系统数值计算模型.41 图 3.8 滑油散热系统竖直剖面速度矢量图（结构 1）.42 图 3.9 滑油散热系统水平剖面速度矢量图（结构 1）.43 图 3.10 滑油散热系统竖直剖面速度矢量图（结构 2）.43 图 3.11 滑油散热系统水平剖面速度矢量图（结构 2） .44 图 3.12 滑油散热系统竖直剖面速度矢量图（结构 3）.44 图 3.13 滑油散热系统水平剖面速度矢量图（结构 3）.45 图 4.1 试验装置示意图.46 图 4.2 滑油供给系统安装图.47 图 4.3 引气系统安装图.48 图 4.4 scxi 测控设备.49 承诺书 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内 容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 现代航空发动机是一个典型的复杂工程技术系统，包含了众多的相关子系 统，其工作过程是极其复杂的气动热力过程。在广阔的飞行包线内，随着环境 条件和工作状态的变化，它的气动热力过程将发生很大的变化。对这样一个复 杂多变的过程，要保证其安全可靠地工作，同时达到预定的性能要求，各子系 统必须紧密地协调配合，各尽其责。 在众多的子系统中，发动机滑油系统的作用是：当发动机工作时，连续不 断地将足够数量的清洁滑油，输送到发动机各转动机件的轴承和传动齿轮的啮 合处进行润滑，带走摩擦所产生的热量和周围高温零件传给滑油的热量，冲走 在这些零件工作表面上的杂物和碎屑，以维持这些零件的正常温度状态，减少 零件的摩擦和磨损，并防止它们腐蚀和表面硬化。另外，滑油系统还应保证所 供滑油的油压和油量。 由此可见，当发动机工作时，滑油系统一刻也不能中断滑油的供应，否则 就会影响各自动调节系统正常工作以及机件的润滑和散热，甚至引起轴承等零 件的损坏而造成严重事故。因此，发动机工作的可靠性，在很大程度上取决于 滑油系统的工作。 为此，对滑油系统提出以下基本要求1： （1）当发动机在广泛的飞行速度、高度以及外界大气温度范围内的全部 状态下工作时，系统都应保证供给发动机所需的滑油。特别是系统应具有良好 的高空性，即当发动机在升限工作时，也应具有足够的滑油。 （2）在垂直起落的飞行器上，滑油系统应能保证当发动机在垂直位置或 任何倾斜位置时都能向结合面可靠供油。 （3）在多发动机的飞行器上，每台动力装置都应有独立的滑油系统。这 样就能改善系统的紧凑性，缩短管路长度，并提高发动机工作的可靠性。 （4）滑油应在冷却系统装置工作所消耗的功率为最小的情况下得到冷 却。当系统中具有滑油散热器时，则必须装设辅助装置来自动保持滑油温度在 某发动机滑油散热系统的性能研究 2 给定范围内。 （5）在低的外界空气温度条件下，系统中的滑油应能很快预热，这样可 以减少发动机在小功率状态下的工作时间，使发动机寿命的消耗更经济些，也 缩短了飞行器的飞行准备时间。 （6）发动机在地面及空中所有的工作状态内，滑油都不应从通气管路中 漏走，发动机中也不能有滑油溢流。 （7）管路及其接头应具有足够的强度，冲击稳定性及密封性，滑油系统 元件还应具有较小的流体阻力。 （8）系统的滑油消耗量要小。 （9）应保证能将滑油中的机械杂质可靠地过滤出来，并尽可能多地将其 中的燃气分离出来。 （10）要有防火安全性，它首先靠系统的密封性来保证。 （11）发动机应可靠地通风，系统应可靠地通气，而通过通风口及通气口 （向外喷出）的滑油损失应尽可能地小。 （12）能够可靠并连续地监控发动机滑油进口处的滑油压力和滑油温度以 及系统内的滑油油量。 （13）系统应便于接近，进行调整、维护和检查，故障征候能事先发现。 （14）附件的构造应尽量简单，工作可靠，尺寸紧凑，重量轻，寿命长。 在发动机的不同区域内，滑油工作的温度条件是不同的。保证前轴承减速 器及附件传动机匣润滑的那部分滑油具有较良好的工作条件。而涡轮轴承则由 于发动机热零件传热给它，其温度可达 200260，这就使得从轴承出来的滑 油也被加热到 100140，甚至更高些2。 滑油加热到超过最大允许温度会引起它焦化并析出沥青沉淀物。积聚在滑 油中的氧化产物会使得滑油的外观和物理化学性能起变化。热滑油的高温氧化 作用会在与它相接触的零件上分解出各种碳化物，导致发动机脏污。滑油被氧 化产物弄脏后，就会引起发动机的大量过热（因为传热性变坏），零件翘曲， 以及运动结合件的紧涩和滞塞，使发动机的修理和技术维护工作变得复杂和昂 贵起来。 当滑油从发动机出来的温度不超过 100时，由于蒸发产生的滑油损失不 大。当温度大于 120时，从滑油中将蒸发出轻馏分，其粘度也会逐渐增大。 滑油由于蒸发而增大粘度首先反映在起动性能变坏，当粘度超过极限的起动粘 南京航空航天大学硕士学位论文 3 度时，要使发动机在滑油用过几次之后再起动，就只有在更高的滑油温度下进 行。随着飞行高度的增加，外界压力减小，滑油的蒸发性也随之增大，这就增 大了着火的危险性。供往发动机轴承的滑油也会受到高温的影响，这也能引起 滑油的自燃，使飞行安全得不到保证。 1.2 问题的提出问题的提出 本文的研究背景是某型飞机在换装了某型发动机后，在地面试车时，出现 了发动机滑油超温现象。其具体表现是，当试车油门角度大于某一值时，滑油 温度超过规定的最大值，造成发动机不能进行地面正常开车。为了解决滑油超 温问题，首先需要对该型发动机的滑油系统及其散热系统进行了解。 1.2.1 发动机滑油系统的结构与工作原理发动机滑油系统的结构与工作原理 滑油系统中的滑油循环是闭式循环，即：发动机滑油散热器发动机。 发动机滑油系统结构如图 1.1 所示。所消耗的油量，由辅助滑油泵 23 从飞机滑 油箱 10 抽油补充供给3。 发动机正常工作时，滑油系统循环油路的工作过程是：使用过的滑油流入 散热器 12 散热，从散热器出来的滑油与辅助滑油泵的补充滑油汇合一起流入 主滑油泵增压级 25，辅助滑油泵内的调压活门 21 保持其进口油压为 0.60.8kg/cm2。当滑油因被消耗而不能保持此油压时，辅助滑油泵就从油箱抽 油补充，以恢复压力。 滑油被主滑油泵增压级压出，经附件传动机匣内的油道分别流入两个网状 油滤 27，经油滤过滤后，由前油滤出来的滑油经附件传动机匣内的油路流入减 速器，去润滑和冷却减速器零件，并向测扭泵 32 和负拉力自动顺桨传感器供 油。由后油滤出来的滑油，去润滑和冷却附件传动装置和传动盒的传动零件及 发动机转子各轴承；并向螺旋桨调速器 5 和燃油调节器 15 供油。 在发动机地面各工作状态下，滑油温度为 7080时，装在主滑油泵上的 调压活门 20 保持滑油滤出口处的油压为 55.5kg/cm2。减速器和附件传动装置 用过的滑油，均流入附件传动机匣下部收油池内，传动盒用过的滑油也被抽油 泵 19 抽回收油池。收油池内的滑油被主滑油泵回油级 26 抽出，并沿导管流进 附件传动机匣两侧的整流支板 31，使滑油冷却并供整流支板防冰，然后流入空 某发动机滑油散热系统的性能研究 4 气分离器 18。同时，发动机中、后轴承 8、9 用过的滑油被中后轴承抽油泵 16 抽出，经单向活门 17 也流入空气分离器。 空气分离器将滑油中的空气分离出来。经除气后的滑油沿软管流入滑油散 热器 12，经冷却后流回到主滑油泵增压级的进口，而分离出来的含有少量油雾 的空气，沿软管流入滑油箱 10 内，然后经通气油箱 11 排到大气中。部分油雾 在通气油箱中凝成滑油流回滑油箱。 滑油润滑发动机中、后轴承所形成的油雾，在引往排气段的过程中，经过 油雾分离器 4，它将滑油从油雾中分离出来，滑油流入附件传动机匣内，空气 则沿管道从排气段排入大气。 南京航空航天大学硕士学位论文 5 图 1.1 发动机滑油系统结构图 某发动机滑油散热系统的性能研究 6 图 1.2 发动机滑油散热系统结构图 1.2.2 发动机滑油散热系统的结构与工作原理发动机滑油散热系统的结构与工作原理 发动机滑油散热系统是发动机滑油系统的一个子系统，它的作用就是冷却 滑油，降低滑油温度，供给发动机符合温度要求的滑油。 如图 1.2 所示为发动机滑油散热系统，主要由滑油散热器、引射器、以及 风门控制机构组成。其工作原理主要是在地面用螺旋桨桨后气流形成滑油散热 器的冷边冷却空气，在飞行中主要依靠冲压进气。 为了改善在外界气温高时，地面工作时滑油的散热性能，在散热器风门之 前装有引射器，当使用引射器散热时，从发动机十级压气机来的压缩空气进入 引射器，由喷嘴高速喷出，卷吸滑油散热器冷边空气，可以加速通过散热器的 气流，提高散热性能。 通过风门控制机构调节风门的开度，以适应滑油入口温度的变化。 由以上对系统的介绍可知，引起某型发动机滑油超温的主要原因是发动机 的滑油散热量与滑油散热系统的散热能力不匹配造成的。通过仔细分析，出现 此现象的具体原因主要有以下两点： （1） 发动机提高功率后，滑油散热量增量较大，飞机原有的滑油散热系 统不能满足要求； （2） 换装螺旋桨后，发动机在慢车和 0.2 额定状态下螺旋桨后的气流流 速比原螺旋桨后的气流流速小，进入滑油散热器冷边的空气流量下 降，使得滑油散热系统的换热恶化。 找出产生滑油超温问题的原因后，针对存在的问题本文提出了以下的解决 南京航空航天大学硕士学位论文 7 方案： （1） 对新型发动机的滑油散热量进行校核，以确定滑油散热系统的散热 能力。 （2） 由于在地面工作时，桨后气流速度降低了，同时考虑到改进后的散 热系统改动工作应尽量小，因此决定对引射系统进行改进设计，以 增加地面工况下散热系统的散热能力。 （3） 引射器改进后仍不能使散热系统满足地面要求时，可结合引射系统 的改进对滑油散热器进行改进。 以上的解决方案也是本文的主要工作内容。下面就研究中需要涉及的引射 器研究现状进行简单介绍，换热器的研究较为成熟不再赘述。 1.2.3 引射器研究的发展与研究现状引射器研究的发展与研究现状 对引射器的研究可以上溯到 19 世纪 60 年代，德国学者 gzeurmen 根据 动量定理，提出了引射器的理论基础，但他的理论还远不能解决实际计算问 题。1901 年 le blanc 和 parsons 第一次把气体引射器应用于制冷循环上。二十 世纪三十年代，流体力学和空气动力学的发展，进一步推动了引射器的应用和 研究工作。 二十世纪四十年代初，jhkeenan，epneumann 和 elrod 做了大量 的实验，以理想气体为基础，在不考虑摩擦和热损失的情况下，运用质量、动 量、能量守恒原则，第一次提出了较为完整的引射器理论4-6。在此之后，kroll 又以 keenan-neumann 理论为基础对引射器的一些实验数据作了进一步整理， 形成了引射器设计的一些原则。1952 年，jw麦科纳基提出了引射器装置 性能的计算方法。1956 年，st波宁顿对水及水汽射流泵进行了详细的实验 后，提出射流泵各部件的合理尺寸，并指出采用多喷嘴可缩短喉管长度。1956 年，美国热交换器学会制定了气体引射器标准。 由于前人对引射器的理论研究都是建立在不考虑许多不可逆损失的基础上 的，具有较大的局限性，所以并不适于指导引射器的设计。随着引射器的广泛 应用，对其实验和理论的研究不断深入，学者们又开始对流场内部产生的扰动 因素和进一步改进引射器结构进行了探索和研究。falin chen 等人对二次喉口 喷射扩压系统作了系统的研究，讨论了激波和喷嘴位置对流场的影响7-9。他们 针对由激波和滑移所导致的流动不连续和高超音速流动问题，运用了 lagrange 某发动机滑油散热系统的性能研究 8 方法解决此类问题。同时他和 hsu 又针对制冷循环中引射器出口的压缩压力和 喷射系数对引射器效率的影响，系统地阐述了内部流场的变化对整个循环的影 响8。另外，donald felger 等人还对引射器内部产生的涡流现象做了大量实 验，对产生涡流的决定因素（即引射器尺寸、雷诺数、工作气体和引射气体的 动量比率）和产生位置、大小等作了理论研究和总结，其结论是：设计没有涡 流的引射器是比较困难的10-12。 在对蒸汽引射器内部流动进行大量实验研究的基础上，学者们发现引射器 结构尺寸对其内部流动影响是较大的，所以对引射器结构改进也在不断进行。 比如，许多人发现蒸汽引射器存在一个缺陷，便是：若引射器工作蒸汽处于较 低压力下或接近真空时，其中没有被分离出去的少量蒸汽进入引射器后，由于 压力远小于其冰点压力，于是在喉口部分就产生了积冰现象，影响了引射器的 正常工作。针对这个问题，人们采用了在引射器外部又加装一个蒸汽套管，在 管内流动从加热源来的气体，用以熔化喉口的积冰的办法13。 虽然引射器理论的提出和各种实验研究已进行了一百多年，但数值模拟却 是近五十年的事，尤其是近二十年随着计算机的飞速发展，数值模拟逐渐显露 出它准确、可靠、快速、方便的优势。 起初，对引射器内部流场一直局限于用一维方法描述，这样精确性受到很 大程度的限制。为了更准确地描述引射器内部的流场特别是混合段的流场，一 些学者开始建立并运用大量的二维模型进行数值模拟。 近五十年来，计算流体力学己发展到可以模拟包含有各种宏观尺度结构的 非光滑流场，如包含有激波、粘性干扰、分离涡、真实气体效应等物理特性的 流场，可利用巨型计算机，采用合适的网格生成技术和有效的计算方法，求解 非定常可压缩 n-s 方程。计算流体力学的发展推动了引射器数值模拟计算。六 十年代末到七十年代，国外的研究工作集中于求解二维和三维无粘定常亚跨声 速流场。1981 年多重网格技术的提出14-15，加快了时间推进的收敛过程，进而 使得欧拉方程的求解速度加快了 3-5 倍以上。而对粘性流动(层流与湍流)的三 维模拟则始于七十年代末，在国外使用压力修正法和迎风松弛法求解亚声速流 场以及使用时间推进法和矢通量分裂法求解定常二维和三维粘性流场己相当普 遍。对粘性流动进行数值模拟的更大困难在于湍流模型的建立，迄今为止通用 的湍流模型还不存在。不同流动需要建立各自的模型，即空间和流场相关湍流 模型。近年来又发展了摆脱时均概念与湍流模型，而直接对湍流进行数值模拟 南京航空航天大学硕士学位论文 9 的方法。 由于引射器尤其是超音速喷管内部流场的复杂性，要想获得与实际相吻合 的结果，则必须借助计算机来进行。随着计算机技术的迅猛发展，以计算流体 力学为基础的多维数值模拟技术被广泛地应用。数学物理方程的数值求解方 法、网格生成技术、初边值条件的确定、湍流模型、数据的前处理和后处理技 术等也都取得了重大进展。西安交通大学的张谋进16等人应用以压力为求解变 量的数值方法求解 navier-stokes 方程，对拉法尔喷管和双喉喷管中的超音速粘 性流场进行了数值分析，对喷管喉部即收敛段向扩张段的过渡不同而造成喷管 性能上的差异进行了分析，得出了喷管喉部光滑过渡不会在扩张段前部壁面产 生涡旋和强烈的压力扰动等结果。 在许多研究人员编制自己的数值模拟程序的同时，一些软件公司也发行了 许多大型通用软件，用于计算各种复杂条件下的非定常的有化学反应的三维湍 流流动。借助这些 cfd 软件，talpallikar17等人分析了定常面积混合区域的混 合问题，neve18研究了引射器扩散管里的流动问题，chen19等人计算了收缩定 常管道中的流动问题。目前已完成的工作在模拟引射器三维流场、压力场、温 度场方面仅仅是一个开端，对其模型的建立、分析还远未完成。 1.3 本文主要工作本文主要工作 本文对某型飞机的滑油散热系统提出改进方案后，首先采用数值模拟的方 法对改进后的引射系统进行模拟，以确定方案的可行性，在此基础上进行了试 验研究。本文的内容主要有： （1）概要介绍滑油系统的重要作用和滑油超温的重大危害，对某型发动 机的滑油系统及滑油散热系统的结构和工作原理进行说明，综述引射器的研究 现状； （2）简单介绍 cfd 软件 fluent 及其前处理器 gambit 的功能，说明 了本文用到的湍流模型、网格划分方法以及数值求解方法。试算一个算例，并 将计算结果与文献试验结果进行对比，以验证数值方法的可靠性； （3）用数值模拟的方法对引射系统的设计方案进行评估，确定改进方案 的可行性； （4）在数值模拟的基础上开展试验研究，确定改进后的滑油散热系统的 结构，并对滑油散热系统的散热性能进行试验研究； （5）总结本文的研究工作，对后续工作进行展望。 某发动机滑油散热系统的性能研究 10 第二章第二章 数值模拟方法数值模拟方法 2.1 fluent 软件简介软件简介 1983 年，美国的流体技术服务公司 creare 公司的 cfd（计算流体力学） 软件部推出了其第一个商用 cfd 软件包 fluent。fluent 软件的设计是基 于 cfd 计算机软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理 现象，采用不同的离散格式和数值方法，以便在特定的领域内使计算速度、稳 定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算 问题。 fluent 是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。 应用的范围包括高超音速流动、传热传质、剪切分离流动、涡轮机、燃烧、化 学反应、多相流、非定常流、搅拌混合等问题。fluent 具有三种核心算法， 分别为 simple、simplec、piso 算法，并采用多重网格加速收敛技术。它提 供了完全的网格灵活性，可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网 格、三维四面体、六面体、金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动，甚至可 以用混合型非结构网格，并且允许根据解的具体情况对网格进行修改20。 自面世以来，fluent 经过大量的算例考核显示出了其稳定性好、精度 高、适用范围广等特点。目前己广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工 业、化学处理工业、石油天然气工业、发电系统、半导体设计、涡轮机设计、 hvac 设计、玻璃加工等领域。 2.1.1 fluent 软件的组成软件的组成 fluent 是 fluent 公司开发用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传 导的 cfd 软件。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而能达 到最佳的收敛精度。灵活的非结构化网格和基于求解精度的自适应网格及成熟 的物理模型，使 fluent 在层流、湍流、传热、化学反应、多相流等领域取得 了显著成效。fluent 用 c 语言编写，具有很大的灵活性和强大的能力，能够 动态分配内存、灵活求解。 南京航空航天大学硕士学位论文 11 除此之外，为了高效执行、交互控制，以及灵活适应各种机器与操作系 统，fluent 使用 client/server 结构，允许同时在用户桌面工作站和强有力的 服务器上分离地运行程序，实现高效执行和交互控制，并能灵活适应各种机器 与操作系统。 fluent 的主要组成部分包括：fluent 解算器（其中求解器又包括通用 软件 fluent4.5、fluent6/5、fidap 和专用软件 polyflow、mixsim、 icepak 等）；prepdf：模拟 pdf 燃烧的程序；gambit：几何图形模拟以及 网格生成的预处理程序；tgrid：可以从己有边界网格中生成体网格的附加前处 理程序；filters(translators)：从 cad/cae 软件，如 ansys、i-deas、 nastran、patran 等的文件中输入面网格或者体网格。图 2.1 所示为 fluent 各部分的组织结构。 在 fluent 中，解的计算与显示可以通过交互界面和菜单界面来完成。用 户界面是通过 scheme 语言及 lisp dialect 写成的。高级用户可以通过写菜单宏 及菜单函数自定义及优化界面。 本文中用 gambit 产生所需的几何结构以及网格；然后将网格文件提供给 fluent 解算器，由后者进行发动机滑油散热系统的三维模拟计算。 图 2.1 fluent 基本程序结构 某发动机滑油散热系统的性能研究 12 fluent 软件由前置处理器 gambit、fluent 求解器以及后处理器组 成。fluent 后处理器具有三维显示功能，可以展示各种流动特性，还能以动 画演示非定常过程。 2.1.2 fluent 软件的物理模型软件的物理模型 由于 fluent 软件囊括了 fluent dynamic international 比利时 polyflow 和 fluent dynamic international(fdi)的全部技术力量(前者是公认的在粘弹性和聚合 物流动模拟方面占领先地位的公司，而后者是在基于有限元方法的 cfd 软件方 面居于领先地位的公司)，因此 fluent 软件能够推出多种优化的物理模型。 这些模型可以解决以下问题： a) 不可压缩或可压缩流动； b) 定常流动或非定常流动； c) 无粘、层流和湍流； d) 牛顿流或非牛顿流； e) 亚声速、跨声速、超声速和高超声速流动； f) 传热，包括自然对流、强迫对流和混合对流，耦合热传导和对流，固体/流 体耦合传热，辐射和运动固体的热传导； g) 化学组分混合和反应，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型； h) 热，质量，动量，湍流和化学组分的控制体源； i) 离散相(粒子/液滴/气泡)的拉格朗日轨迹计算，包括与连续相的耦合； j) 多孔介质模型，具有各向异性的渗透性、惯性阻尼、固体热传导和多孔表 面的压力跳跃条件； k) 风扇、泵、辐射器和热交换器等的集总参数模型； l) 复杂外形的自由表面流动和多相流(包括气液、气固和液固)； m) 融熔/凝固的相变模型； n) 惯性或非惯性坐标系； o) 多种参考系和滑动网格； p) 应用于转子静子干扰、扭矩变换器及透平机的混合面模型； q) 介质特性数据库。 南京航空航天大学硕士学位论文 13 2.1.3 fluent 软件的各项功能软件的各项功能 2.1.3.1 网格功能网格功能 (1) 四边形、三角形、六面体、四面体、棱形、金字塔形网格； (2) 允许非保形(不连续)的网格界面重叠； (3) 接受以下软件产生的网格：gambit、geomesh、tgrid、prebfc、 icem/cfd 、 i-deas 、 patran 、 nastran 、 ansys 、 pro/e ngineer、stl、plot3d； (4) 动态、自适应网格技术有： 三角形和四面体网格保形适应； 悬挂节点适应和所有类型网格的嵌套； (5) 用户指定区域的网格细化和采用求解变量、导出变量(例如 y+，离壁 距离)和用户自定义物理量的自适应网格细化； (6) 细化网格后流场变量自动插值； (7) 网格粗化； (8) 网格光顺及改进工具； (9) 网格处理功能(比例缩放、平移、合并、分裂)； (10) 混合网格生成。 2.1.3.2 数值方法数值方法 fluent6.0 提供了三种求解方法。fluent6.0 中的求解器有以下特征： (1) 完全非结构化网格的有限体积法； (2) 适用于所有速度范围； (3) 动态内存分配； (4) 单、双精度运算； （a）非耦合的求解方法(fluent/uns4.2 的发展)； . 基于压力修正的非耦合求解算法，包括 simple、simplec 和 piso； . 多种离散格式，包括一阶迎风格式、幂次律格式、二阶迎风格式和 quick 格式； . 一阶和二阶隐式时间离散格式； 某发动机滑油散热系统的性能研究 14 . 包括 presto 线性插值、二次插值和体积力加权插值的压力插值格 式； . 体积力隐式处理； . 采用 v 形、w 形、f 形和拐折循环求解线性代数多重网格方程，高 斯赛德尔松弛法； （b）耦合求解方法(rampant 4.2 的发展) . 不可压和混合区域流动的预处理； . 所有流场平均量的耦合求解； . 湍流、辐射和用户自定义标量输运方程的非耦合求解； . 包括一阶和二阶迎风格式的离散格式； . 显、隐式的一阶、二阶时间离散格式； 显式格式： a) 多步龙格-库塔时间步进算法； b) 全近似格式多重网格、当地时间步长和隐式残差光顺收敛加 速； c) 显式统一时间步长的时间精度解。 隐式格式 a) 所有通量和源项的完全牛顿形式线性化； b) v 形和 f 形循环求解代数多重网格、块矩阵线性方程，高斯赛 德尔松弛法。 2.1.3.3 湍流模型湍流模型 (1) spalart-allmaras 的一方程(涡粘性输运)模型； (2) 标准的 k-模型，realizable k-模型和 rng k-模型的 k-模型； (3) 浮力和压缩效应的 k-子模型； (4) 应用于旋流，低雷诺数效应和对 prandtle/schmidt 数的解析式的对 k、 、能量和组元的 rng 子模型； (5) 壁面反射模型和线性或二次压力应变模型的雷诺应力模型； (6) 对大涡模拟的亚格子应力模型； (7) 包括标准壁面函数，非平衡、对压力梯度敏感的壁面函数、k-模型 和 rsm 的两层模型等的不同近壁模型； 南京航空航天大学硕士学位论文 15 (8) 用户自定义层流区域的湍流抑制的转捩流动模拟(固定转捩)； 2.1.3.4 边界条件边界条件 fluent 提供多种流动入口/出口条件： (1) 以笛卡尔坐标或圆柱坐标或极坐标表示的入口速度分量的大小和方 向，法向速度的大小及用户自定义的当地坐标分量； (2) 入口质量通量： . 入口静压和总压，法向或指定的速度方向； . 多组分系统的入口质量组分； . 入口静温和总温； . 入口湍流强度和耗散率(用湍流强度、长度尺度、水力学直径和粘 性比输入)； . 出口静压； (3) 充分发展管流的出口流动边界条件(outflow)； (4) 质量流出； (5) 进气/排气扇； (6) 进风口/出风口； (7) 壁面边界，指定为： . 以笛卡尔坐标表示的旋转速度和切向速度分量； . 包括滑移条件的剪切率； . 用热通量、温度、外部对流、辐射以及混合条件表示的热边界条 件； (8) 选择包括壁面粗糙度效应的湍流壁面函数的剪应力计算； (9) 两侧壁面耦合和指定热阻的热传导条件； (10) 对于平均和湍流参数的入口空间刨面或壁面边界条件； (11) 通过体积源项确定的入口亚格子尺度； (12) 对称、旋转周期性和移动周期性边界； (13) 轴线边界条件； (14) 在流线周期边界条件中指定质量流率(流动和热交换)； (15) 在周期性边界条件中指定压降。 某发动机滑油散热系统的性能研究 16 2.1.3.5 介质物性介质物性 (1) 常量或可变的物性，如温度可输入数据或分段的多项式； (2) 包括标准流体和固体介质物(用户可修补)性的数据库； (3) 标准反应机理、化学组分混合、热力学和动力学性质； (4) 标准固体、液体、液体燃料和煤的粒子/液滴数据； (5) 根据理想气体规律或温度相关的多项式规律计算流体密度，包括有 浮力流动中密度的 boussinesq 处理； (6) 用温度的多项式或幂次律或 sutherland 公式的流体粘性计算； (7) 非牛顿流模型，包括幂次律流体，carreau 流，或与温度相关的用户 自定义规律； (8) 在固体区域内的与温度相关的热容与热传导； (9) 各向异性的热传导； (10) 冷却剂和碳氢的真实气体模型； (11) 用户自定义的物性参数输入。 2.1.3.6 用户自定义函数用户自定义函数 (1) 解释(在运行时编译)和编译事先编译，在运行时连接)选项； (2) 连续、动量、能量、组分和体积组分输运方程的体积源项的指定； (3) 表面和体积反应速度； (4) 用户物性的定义； (5) 用户的边界条件和初始化条件； (6) 用户定义的标量输运方程； (7) 用户自定义的后处理变量的生成； (8) 用户指定辐射模型的散射相函数； (9) 离散相模型的体积力、阻力和源项。 2.1.3.7 并行处理并行处理 (1) 共享存贮系统(如 windows nt、sgi、hp、dec、sun 和 cray 多处 理器)的并行处理； (2) 分布式存贮系统(如 ibm sp-2,crayt3d/e 等)和工作站网络的并行处 南京航空航天大学硕士学位论文 17 理； (3) 基于网格划分方法(如 metis)的区域分解法； (4) 基于 lsf 第三方软件的载荷平衡功能； (5) 通过库的自动优化信息分配。 2.1.3.8 界面、图形后处理和报告界面、图形后处理和报告 (1) 多任务处理和远程递交运行的客户服务器结构； (2) 全交互式图形和文本式用户界面； (3) 诊断和错误检测； (4) 网格检验(有效性、质量、大小)、合并、分开和重新排序功能； (5) 启动、求解和后处理的动态控制； (6) 解算器和物理模型的报告； (7) 灵活的单位制规定(si 单位、英制单位、单一/混合单位)； (8) 动态中断和重新计算； (9) 残差报告和显示； (10) 质量、热量及化学组分的通量的报告和监测； (11) 力和力矩的报告和监测； (12) 表面积分和平均的计算和报告； (13) 体积积分和平均的计算和报告； (14) 周向平均； (15) 时间平均和大涡湍流模拟的均方根(rms)报告； (16) 用户定义的场函数的计算功能； (17) 梯度和导出量的计算； (18) 几何和流场变量的直方图； (19) 二维数据 xy 图； (20) 数据的图形探测； (21) 强大的图形流动可视化和动画功能； (22) 基于鼠标的操作(旋转、平移、放大)； (23) 丰富的硬拷贝功能。 某发动机滑油散热系统的性能研究 18 2.1.3.9 数据输出数据输出 (1) 数据可输出到 avs、data explorer、ensight、fast、fieldview 和 tecplot； (2) ensight 和 fieldview 的并行数据输出； (3) fea 数据输出到 nastran、patran 和 i-deas。 2.1.4 前处理软件前处理软件gambit gambit 软件是专用的 cfd 前置处理器，它具有全面的几何建模能力， 是功能强大的网格划分工具。fluent 系列产品皆采用 fluent 公司自行研发 的 gambit 前处理文件来建立几何形状及生成网格。使用 gambit 既可以划 分出包含边界层等 cfd 特殊要求的高质量网格，也可以生成 fluent6/5， fluent4.5，fidap，polyflow 等求解器所需要的网格。 gambit 软件将强大的几何建模能力和灵活易用的网格生成技术结合在一 起，借助功能灵活、完全集成的和易于操作的界面，大大减少了 cfd 应用过程 中建立流动区域的几何模型和划分网格所需要的时间。用户既可以直接使用 gambit 软件的固有几何模块建立复杂的实体模型，也可以从主流的 cad/cae 系统中直接读取数据。gambit 软件高度自动化，可以生成多种形 状的网格，对于二维问题可以生成三角形网格和矩形网格；对于三维问题，可 以生成四面体、六面体、三角柱和金字塔等网格；结合具体计算，还可以生成 混合网格，其网格自适应功能可以对网格进行细分或粗化，或生成不连续网 格、滑动网格和可变网格21。 当利用 gambit 中的网格生成工具对几何结构进行网格化之后，还需要对 该几何结构定义基本的边界条件，然后导出网格文件，由求解器读取网格文件 进行下一步求解。 2.1.5 利用利用 fluent 解决实际问题的步骤解决实际问题的步骤 利用 fluent 解决问题的基本步骤为22： （1）定义模型目标，根据物理现象简化和抽象成数学模型； （2）建立实体模型，通过 cad/cae 软件导入模型或者通过 gambit 建 立模型，并在 gambit 中生成计算网格并定义边界条件； 南京航空航天大学硕士学位论文 19 （3）选择合适的解算器、基本方程和附加模型，指定材料物理性质和边 界条件； （4）设置计算控制参数，初始化流场，进行计算； （5）后处理分析，分析计算结果，结果不满意时通过调整计算参数和模 型重新计算。 下面就本文中所涉及以上步骤中的问题进行简要说明。 2.2 模型建立模型建立 2.2.1 理论基础理论基础 所有的流动与传热过程都服从三个基本的物理规律，即质量守恒、动量守 恒、能量守恒。表达这些守恒定律的偏微分方程通常称为控制方程。其中，质 量守恒的偏微分表达式为： ()()