（动力机械及工程专业论文）6100柴油机机体热负荷分析.pdf

中文摘要 柴油机具有扭矩大、热效率高、耐久性好的优点，因此柴油机在各个领域得 到了广泛的应用。随着柴油机技术的不断提高，其强化指标不断提高，导致机体、 缸套、缸盖等受热零部件的热负荷不断增加，设计与制造上稍有疏忽就可能导致 机体、缸盖等受热零部件在工作状态下出现裂纹等损坏现象，因此对柴油机机体、 缸套、缸盖等受热零部件的热负荷的研究具有十分重要的意义。 本文应用热一流一固耦合的方法，对6 1 0 0 柴油机机体的热负荷进行了研究。 在p r o e 软件平台上建立了6 1 0 0 柴油机机体、缸套的三维实体模型，并对其进 行了合理的简化，然后将机体、缸套的p r o e 模型导入a n s y s 软件中，并利用 a n s y s 软件中的布尔减运算得到水套的三维模型，从而在a n s y s 软件中建立了机 体、缸套、水套的组合三维模型。然后在a n s y s 软件中选用f l u i d1 4 2 单元对机 体、缸套、水套的组合三维实体模型进行了自动网格划分，建立了机体、缸套、 水套的组合有限元模型。采用热一流一固耦合的方法计算得到了水套的流场分布以 及水套、缸套、机体的温度场分布。通过对流场和温度场计算结果的分析，提出 了对机体水套结构的具体改进措施，并且建立了改进后的机体、缸套、水套的组 合三维实体模型和有限元模型，对改进后的组合有限元模型施加了相同的热边界 条件、流动边界条件和流体性质，计算得到了改进后的水套的流场分布以及水套、 缸套、机体的温度场分布结果，计算结果表明，在对水套结构改进后，整个机体 的冷却更加均匀，消除了局部过热区，对水套结构的改进取得了很好的效果。 关键词：柴油机机体热一流一固耦合流场温度场 a b s t r a c t d i e s e le n g i n eh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nv a r i o u sf i e l d s ，b e c a u s eo fi t sp o w e r f u l t o r q u e h i g ht h e r m a le f f i c i e n c ya n dg o o dd u r a b i l i t y 、聃t ht h ei n c r e a s eo ft h e i n t e n s i f i c a t i o nc o e f f i c i e n to fv e h i c l ed i e s e l e n g i n e ，e n g i n eb l o c k , c y l i n d e rl i n e r , c y l i n d e rh e a da n do t h e rh e a t e dp a r t so fe n g i n ea r es u b j e c t e dh e a v i e rt h e r m a ll o a d s a n ym i s t a k e so nd e s i g no rm a n u f a c t u r i n gc a nl e a dt od a m a g e so fe n g i n eb l o c k , c y l i n d e rh e a da n do t h e rh e a t e dp a r t so fe n g i n e ，s u c ha sc r a c k so nb l o c ka n dc y l i n d e r h e a d s oi ti sg r e a ts i g n i f i c a n tt oa n a l y z et h et h e r m a ll o a d so fe n g i n eb l o c k , c y l i n d e r l i n e r , c y l i n d e rl l e a da n do t h e rh e a t e dp a r t so fe n g i n e t h et h e r m a ll o a d so f610 0d i e s e le n g i n eb l o c kw e r er e s e a r c h e dw i t ht h em e t h o d o fh e a t - f l u i d - s o l i dc o u p l i n gi nt h i sa r t i c l e 3 一dg e o m e t r i cm o d e l so fb l o c ka n dl i n e r s w e r ee s t a b l i s h e do nt h ep l a t f o r mo fp r o e 、m l d f l r e3 0 ，a n dt h em o d e l sw e r e r e a s o n a b l ys i m p l i f i e d t h em o d l e so fb l o c ka n dl i n e r sw e r et r a n s m i t t e dt oa n s y s t h eg e o m e t r i cm o d e lo f w a t e r j a c k e tw a se s t a b l i s h e db yb o o l e a no p e r a t i o ni na n s y s a n dt h e nt h eb l o c k - l i n e r - w a t e rj a c k e tc o u p l i n gm o d e lw a sb u i l ti na n s y s n e c o u p l i n gm o d e lw a sa u t o m a t i c a l l ym e s h e du s i n gf l u i d1 4 2e l e m e n ti na n s y s t h e r e s u l t so ff l o wf i e l do fw a t e rj a c k e ta n dt e m p e r a t u r ef i e l d so fb l o c k , l i n e r sa n dw a t e r j a c k e tw e r eo b t a i n e da f t e rf l o t r a ns o l u t i o nw i t ht h em e t h o do fh e a t f l u i d s o l i d c o u p l i n g n ei m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n so nw a t e rj a c k e ts t r u c t u r ew e r eg i v e na f t e r a n a l y s i s o ft h es o l u t i o nr e s u l t s a n dt h e nt h e i m p r o v e dc o u p l i n gm o d e lw a s e s t a b l i s h e di na n s y sa n dt h es a m et h e r m a lb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，f l o wb o u n d a r y c o n d i t i o n sa n df i u i dp r o p e r t i e sw e r ea p p l i e dt ot h em o d e l t h er e s u l t so ff l o wf i e l do f i m p r o v e dw a t e rj a c k e ta n dt e m p e r a t u r ef i e l d so fi m p r o v e db l o c k , l i n e r s ，w a t e rj a c k e t w e r eo b t a i n e da f t e rf l o t r a ns o l u t i o n 功er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o o l i n ge f f e c t s o fb l o c ka n dl i n e r sb e c a m em o r eb a l a n c e db yt h ei m p r o v e m e n to fs t r u c t u r eo ft h e w a t e rj a c k e t a n dt h eo v e r h e a t i n ga r e a sa l s od i s a p p e a r e d t h ei m p r o v e m e n to f s t r u c t u r eo ft h ew a t e ri a c k e tw a sv e r ys u c c e s s f u l k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ，e n g i n eb l o c k , h e a t f l u i d s o l i dc o u p l i n g ，f l o w f i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 三彩钲 签字日期：庐g年月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 五 签字日期：伊男年乡月6 日 导师签名：高啦 签字日期：加吆年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 柴油机机体热负荷研究的意义 柴油机具有扭矩大、热效率高、耐久性好的优点，因此柴油机在各个领域得 到了广泛的应用。柴油机是一种热能动力机械，它是燃料在气缸中进行燃烧，释 放化学能，加热工质使其膨胀，并通过曲柄连杆机构转化为机械功的原动机，它 的运转离不开“热”的传递现象，燃料的燃烧使柴油机机体、缸套、缸盖等零部 件受到加热，使其工作温度升高。承受高温负荷的机体、缸盖等零部件，有可能 产生蠕变、热疲劳等热故障，妨碍发动机长期可靠的工作，或者成为进一步提高 发动机性能指标的障碍。柴油机的气缸是气体压缩、燃烧和膨胀的空间，并为活 塞起导向作用，缸套的温度过高，将破坏润滑油膜，使缸套和活塞环的磨损加剧。 随着柴油机技术的不断提高，柴油机的设计向着提高效率，增加可靠性，减轻重 量，降低燃油消耗率以及低排放等方向发展，其强化指标不断提高，导致机体、 缸套、缸盖等零部件的热负荷不断增加，设计与制造上稍有疏忽就可能导致机体、 缸盖等受热部件在工作状态下出现裂纹等损坏现象，因此对柴油机机体、缸套、 缸盖等受热零部件的热负荷的研究具有十分重要的意义。 1 2 柴油机热负荷研究的国内外现状和发展 由于柴油机机体、缸套等零部件结构和传热过程的复杂性以及计算机技术的 限制，人们最初只是对柴油机零部件进行二维温度场热分析，这种方法在一定程 度上满足了人们的计算要求，但它忽略了受热零部件的三维影响，其分析是不全 面的。随着有限元理论的逐渐完善及计算机技术的进一步发展，受热零部件的热 负荷分析逐渐由二维温度场分析向三维温度场分析过渡，与二维的分析相比，它 更加接近工程实际，更加准确。 国内研究人员主要采用单件有限元分析方法研究柴油机零部件的热负荷问 题，单个受热零部件的温度场和热应力计算已经趋于成熟。单件研究的方法可以 在一定程度上简化计算，对个别零部件进行设计和改进。但单件研究往往是在忽 略了一些边界条件之后，通过设置若干假设，对相关公式进行拟合，将模拟结果 与实际结果相对比分析从而获得结论。这种方法在确定边界条件时试算量很大， 第一章绪论 要不断修正各个部位的边界条件才能得到满意的计算结果，计算效率比较低。 国外对柴油机机体热负荷的研究普遍采用的方法就是将c f d 和f e a 耦合的 方法进行研究，即通过c f d 计算得到缸内燃气温度及换热系数以及水套内冷却 水的温度及换热系数，将之作为f e a 的第三类边界条件进行计算。 最近，耦合模型开始出现在国内外内燃机的课题研究中，耦合方法是部分专 家在对内燃机零部件的工作内部环境做深入研究时提出的一种新方法。现代内燃 机传热研究的一个重要方向是把缸内气体流动、燃烧、对流传热、辐射传热模型 与燃烧室部件整体( 缸盖一缸套一活塞组) 耦合起来，进行整体模型传热的全仿真 模拟。耦合模拟方法可以通过各个零部件间的热联系，给出这部分边界的边界条 件，预测单件研究法所无法预测的内燃机零部件的温度场。但是由于缸内燃烧、 流动传热及热边界层理论的耦合局限性，整体耦合研究还主要集中在活塞一缸套 传热系统中，难以形成完整的传热分析耦合模型，离真实的内燃机传热全仿真模 拟还有一定的距离i lj 。 1 3 有限元法在机体热负荷研究以及内燃机设计上的应用 当今世界科学技术飞速发展，作为技术和知识密集型产业的汽车工业一直都 是高新技术发展和应用的重要领域。近年来，计算机技术得到了迅速发展和广泛 应用，数值计算方法成为分析柴油机机体、缸套等零部件的热负荷的主要手段， 被越来越多的工程技术人员所采用。这些数值分析方法主要有：有限单元法、有 限差分法、边界元法等，目前应用最为广泛是有限单元法，利用有限元方法进行 分析计算已经成为一种有效的辅助设计手段和方法【2 】。 有限元方法是伴随着计算机软硬件技术的发展而迅速发展起来的一种现代 设计计算方法，广泛地应用在汽车设计等工程领域。由于其具有较高的计算精度、 广阔的解算能力、简单的应用方法和低廉的设计成本而深受工程界的欢迎，是 c a e 的重要组成部分。内燃机零部件的设计是有限元技术最早的应用领域之一。 有限元技术的应用提高了内燃机零部件设计的可靠性，缩短了设计周期，大大推 动了内燃机工业的发展。 有限元法具有成本低、直观、可预见性强等优点，在方案设计时，有很大的 优越性，因此采用有限元技术对内燃机零部件进行计算越来越有必要。特别是对 于结构复杂的机体，用有限元进行分析，求出各点的温度、热应力、热变形，对 机体的热负荷的研究具有重要的指导作用【3 j 。 目前，国际、国内各种结构分析有限元软件都以商品的形式不断推出，并逐 渐系统化为大规模有限元分析程序。自2 0 世纪7 0 年代后期，我国引进了数十种 第一章绪论 大中型专用和通用有限元软件，主要有a n s y s ，i d e a s ，m s c p a t r a n ， m s c n a s t r a n 等。在计算机上用有限元软件模拟机体的温度场、应力场与变 形，对改进机体设计、提高内燃机的性能与可靠性具有重要的意义。 上海工业大学的邓康、大连理工大学的毛生根等利用有限元方法对6 0 0 m w 的汽轮机缸体铸件进行了铸造热应力计算和热裂分析，取得了与实际情况相符的 结果，显示出了良好的工程精度和可靠性 4 1 。中国计量学院的陈红岩，李迎等利 用有限元方法对某增压柴油机的活塞组、缸套、机体耦合模型的温度分布进行了 计算，计算结果与实验值误差很小【5 】。大连理工大学的白敏丽等利用有限元法对 六缸柴油机冷却系统流动与传热进行了三维数值模拟研究，给出了整机冷却水套 内冷却液的流场、换热系数及压力场分布，并将数值模拟结果与试验结果作了比 较，数值模拟结果最大误差为9 ，数值模拟结果具有足够的精度，为柴油机冷 却水腔的优化设计提供了理论依据【6 】。武汉理工大学的钱作勤，吴家兵，王苏丹 等针对干式缸套4 11 2 z q 型柴油机的机体，用硬度塞法对与之紧密相连的缸套的 温度进行了实验测量，根据测量的数据，进行了边界条件的计算和选取，建立了 相应的数学模型和几何模型。在此基础上，利用a n s y s w o r k b e n c h 中的分析工具 d e s i g ns i m u l a t i o n 对该机型的机体进行了温度场的三维有限元分析，得到了机体 的温度分布状况，计算值和实测值基本吻合，获得了结构改进的依据( 7 1 。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文研究的主要内容包括： 1 、论述流固耦合传热的理论基础。流固耦合传热的理论是有限元软件进行 流固耦合传热分析的理论基础，了解了这些理论基础，也就弄清楚了软件是如何 进行求解计算的，只有这样才能更好地使软件为后面的计算分析服务。 2 、机体、缸套、水套组合实体模型的建立、实体模型网格的划分、边界条 件的确定以及流体性质的确定。其中，机体、缸套实体模型是在p r o e 里建立， 然后将其导入a n s y s 软件中，并通过a n s y s 中的布尔运算得到水套实体模型，从 而在a n s y s 中建立出机体、缸套、水套组合实体模型。实体模型的网格划分采用 自动划分网格的方法进行。边界条件主要包括缸套内表面的换热边界条件、机体 与大气接触表面的换热边界条件、机体曲轴箱内表面与曲轴箱内气体的换热边界 条件、冷却水的入口温度、速度以及冷却水出口压力等。 3 、对机体、缸套、水套组合有限元模型进行流固耦合传热计算，得到水套 流场以及水套、缸套、机体温度场分布情况，对计算结果进行分析讨论。然后根 据分析所得结论提出对机体水套结构的改进意见，并建立改进后的机体、缸套、 第一章绪论 水套组合有限元模型，对改进后的有限元模型施加固体和流体边界条件以及流体 的属性，再次进行流固耦合传热计算，得到改进后的水套的流场以及水套、缸套、 机体温度场分布情况，并对计算结果进行分析讨论，验证改进意见是否合适。 第二章机体一水套耦合热分析的理论基础 第二章机体一水套耦合热分析的理论基础 发动机机体的冷却技术对提高发动机性能是至关重要的，缸套内表面与高温 燃气发生热交换，机体外表面与外界空气进行对流热交换，机体还与水套内的冷 却水进行对流热交换而被冷却。为了获得机体的温度分布，通常的做法是将计算 域分为固体区域和流体区域，对这两个区域分别进行计算。即先在流体区域通过 流场计算，得到边界层外流场的参数；再根据边界层方程，采用积分方法或者微 分方法，求得固体壁面上的换热系数及温度分布；然后对固体区域进行求解，由 前面得到的固壁边界上的温度和换热系数，通过求解导热方程得到固体内的温度 方程。如果求解的精度有额外的要求，还需将求解固体导热得到的边界温度回代 到流场求解中作为固壁边界条件，这个过程需要重复多次，计算起来很复杂，而 且由于流体、固体结构的算法不同，实际上很难进行即时迭代，因此所获得的固 体结构的温度场实际上也是不尽真实可靠的。本文利用a n s y s 中的f l o t r a n 计 算模块，采用了整体式流固耦合的方法对这类问题进行了研究，这种整体式流固 耦合方法只需要设置整个模型的整体边界条件，对于固体和流体之间究竟是怎样 的相互耦合不需要去设置，可以在计算程序的后处理当中得到【8 】。这种方法计算 过程较简单，计算结果也较准确。 2 1 紊流概述 机体水套内的冷却水的流动是三维不可压缩紊流流动，紊流是一种高度复杂 的非稳态三维流动。在紊流中流体的各种物理参数，如速度、压力、温度等都随 时间与空间发生随机的变化。从物理结构上说，可以把紊流看成是由各种不同尺 度的涡旋叠合而成的流动，这些涡旋的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺 度的涡旋主要由流动的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟，是引 起低频脉动的原因；小尺度的涡旋主要是由粘性力所决定，其尺寸可能只有流场 。尺度的千分之一的量级，是引起高频脉动的原因。大尺度的涡旋破裂后形成小尺 度的涡旋。较小尺度的涡旋破裂后形成更小尺度的涡旋。因而在充分发展的紊流 区域内，流体涡旋的尺寸可在相当宽的范围内连续地变化。大尺度的涡旋不断地 从主流获得能量，通过涡旋间的相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡旋传递。最后 由于流体粘性的作用，小尺度的涡旋不断消失，机械能就转化( 或称耗散) 为流体 第二章机体一水套耦合热分析的理论基础 的热能。同时，由于边界的作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生， 这就构成了紊流运动。 2 2 紊流对流换热的控制方程 2 2 1 紊流物理量的时间平均值 任一变量矽的时间平均值定义为： 歹= 古广如陟 ( 2 1 ) 其中时间间隔垃相对于紊流的随机脉动周期而言足够的大，相对于流场的各种 时均量的缓慢变化周期而言足够的小。 2 2 2 时均控制方程 1 、连续性方程 将流体三个坐标方向的瞬时速度表示成时均值与脉动值之和得到： u=u+u ，= ，+ ， w = w + w 将瞬时速度代入流体的连续性方程，再对该式作时均运算，得： 从而得到： ( 2 2 ) o ( e + u 。) 。a ( 可+ v 。) a ( 诃+ w 。) 出 砂 o z ( 2 3 ) 蕊丽赫疏j 丽j 赢 、 瓠卸&敏如a z 第二章塑竺二查奎塑全垫坌堑塑墨笙茎型 一 盟+ 亚+ 盟：0 一+ 一+ 一2 苏a y o z ( 2 4 ) 篁+ 芝+ 盟：o 敏j 两 a z 我们可以看到紊流速度的时均值仍然满足流体的连续性方程。 2 、动量方程 对于x 方向的动量方程，将流体三个坐标方向的瞬时速度表示成时均值与脉 动值之和并代入流体的动量方程，再对该式做时均运算，得： 从而可以推得： 上重互匦：一三型+ ( 2 5 ) a zp o k v 孥+ 擎+ 争 ， 盟+ 塑+ 塑+ 塑 a t 。苏。砂 昆 + 譬+ 譬+ 学= p 6 ， 一号卜v 降+ 雾+ 雾) 把上式左端脉动分量乘积的时均值项移到等号右端，得： 堡+ 盟+ 塑旦+ 塑旦：一三军 a t 缸。o y昆p舐 ( 2 7 ) + 去 v 豢一两 + 参 v 号一万 + 丢 v 暑一丽 擎孕孕 第二章机体一水套耦合热分析的理论基础 对y , z 两个方向可以作类似的推导。现在把三个方向上的动量方程写成直角 坐标中张量符号形式，可得： 皇娅+ 壑巫型： o t 一寿+ 考c 唔一p 砺， 3 、其他变量方程 对其他夕变量作同样的处理，可得： 2 3 紊流模型 ( 2 - 8 ) 旦迹o t + 警= 专( r 蔷一p 万 + s c 2 功 瓠j瓠j 瓠j 。f ) 、j 由时均方程的导出过程可见，一次项在时均前后的形式保持不变，而二次项 在时均化处理后则产生包含脉动值的附加项。这些附加项代表了由于紊流脉动所 引起的通量转移( 应力、热流密度等) ，其中( 一p u l u ：) 称为紊流应力。由前面的方 程可知，紊流对流换热的方程组体系中未知数的数目超过了独立方程的数目，造 成了方程组的不封闭。为了使描写紊流对流换热的方程组得以封闭，必须找出确 定这些附加项的关系式，并且这些关系式中不能再引入新的未知量，否则又需要 补充新的方程。 通过对时均形式的r e y n o l d 方程作各种运算，包括再取时均值，可以导出关 于脉动值附加项( 即两个脉动值乘积的时均值) 的偏微分方程。在此过程中又引入 了更高阶的未知量，于是还需对更高阶的附加项建立起方程，但又因此引入了阶 数更高的附加项，因而最终必须要用模型才能使方程组封闭。 b o u s s i n e s q ( 1 8 7 7 ) 假设，紊流脉动所造成的附加应力也与层流运动应力那样 可以同时均的应变率关联起来。层流时联系流体的应力与应变率的本构方程为： 叫屯+ 睁卦知v 矿 p 第二章机体一水套耦合热分析的理论基础 仿此，紊流脉动所造成的应力可以表示成为： 一舢；“j = ( 曩。，) ，= - p t 4 ， + 文等+ 针如v 矿 ( 2 - 1 1 ) 上式各物理量均为时均值。式中的肛称为紊流粘性系数，它是空间坐标的函数， 取决于流动状态而不是物性参数，而分子粘性则是物理参数。 只是脉动速度造成的压力，定义为： b ：i 1p ( + + ) ：i 2 jj 这里k 是单位质量流体紊流脉动动能： k = 丢矿+ + 而 ( 2 1 1 ) ( 2 1 1 ) 由上所述可见，引入b o u s s i n e s q 假设以后，计算紊流流动的关键就在于如何确定 “。所谓紊流模型，就是指把肛与紊流时均参数联系起来的关系式。依据确定以 的微分方程数目的多少，又有零方程模型、一方程模型及两方程模型等类型。 类似于紊流切应力的处理对其它痧变量的紊流脉动附加项可以引入相应的 紊流扩散系数，为简便起见，均以r ，表示，则紊流脉动所传递的通量可以通过 下列关系式而与时均参数联系起来： 丽= l 考 ( 2 1 2 ) 2 3 1 零方程模型 所谓零方程模型，是指不需要微分方程而是用代数关系式把紊流粘性系数与 时均值联系起来的模型。对自由剪切层流动，p r a n d t l 提出在同一截面上以为常 数。这时v 的计算式为 _ = k 一一“。；。f ( 2 1 3 ) 第二章机体一水套耦合热分析的理论基础 式中，万为剪切层厚度，它是切应力层中边缘上这样两个点之间的距离，该两点 的流速与层外自由流动流体的速度差等于该截面上最大速差的1 ，对于轴对称 流动，万是指从对称轴到1 点之间的距离。“一与“血为同一截面上的最大与 最小流速。 pr a n d t l 的混合长度理论也属于零方程模型。在二维坐标系中，紊流切应力 表示成为： 丽= p t “m 矧考 一肛f v 2 l l ( 2 1 3 ) 这里u 为主流的时均速度，y 是与主流方向相垂直的坐标。乙称为混合长度，是 这种模型中需要加以确定的参数。混合长度理论对于比较简单的流动如二维边界 层流动，平直通道内的流动等是适用的。对于比较复杂的流动( 如有回流时) ，很 难提出一个计算混合长度的合适公式，这时，就应采用由微分方程来计算紊流粘 性的模型。 2 3 2 一方程模型 在混合长度模型中，以仅与几何位置及时均速度场有关，而与紊流的特征 参数无关，针对其局限性，p r a n d t l 和科尔莫哥洛夫提出了单方程模型，即 1 限= d , p k 2 l 式中卜一紊流脉动的长度尺度，一般不等于混合长度，卅； 乞经验常数； k 湍流脉动动能平均值( 湍动能) 。 建立的关于k 的偏微分方程为： ( 2 1 4 ) p 百o k + ，瓦o k 2 丢睁t 等 筹。2 小， + “鲁( 警+ 筹) - p 等 第二章机体一水套耦合热分析的理论基础 式中瓯称为脉动动能的p r a n d t l 数，其值在1 0 左右； 系数c d 没有比较一致的值。 利用k 方程来确定鸬时，整个控制方程组包括连续性方程、动量方程、能 量方程及k 方程。此外还必须对式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) f l 了的，作出规定才能使方程组封 闭。不同的k 方程模型间的区别也就在于计算，的方法不同。常用的做法是采用 类似于混合长度理论中乙的计算式。 k s 模型控制方程为 湍动能( 的方程为： p 百o k + 肛，瓦o k2 专陋+ 箦) 等 亿。6 ， p 百+ 肛，瓦2 瓦胪+ 苗j 瓦l + 鸬鼍( 考+ 瓦o u ： - 胪 湍动能耗散率( s ) 方程： 上两式中占定义为 湍流粘度系数以为： 其中气= c d p 尝+ 羞量。专k + 瓮参1 。2 。7 ， + q 妻鸬誊c 券+ 鲁，一乞p 妄 。 k 2 地剐”p i ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) d c = 占 第二章机体一水套耦合热分析的理论基础 采用k s 模型来求解紊流对流换热问题时，控制方程包括连续性方程、动 量方程、能量方程及k 、占方程与式( 2 - 1 9 ) 。在这一方程组中引入了三个系数( c l ， 乞，巳) 及三个常数( 吒，吒，听) 。其中与温度场有关的紊流p r a n d t l o r 与时 均形式能量方程的广义扩散系数i 有下列关系： r ：生+ 盟：旦+ 丝 c p o t p r o t ( 2 - 2 0 ) 式中：等由分子扩散造成的； 丝由紊流脉动造成的。 q 为了计算的方便，推导出了适用各种坐标系的各类变量的控制方程的通用形 式为： 2 4 壁面函数法 掣+ 以v ( p 彩) ：d i v ( f g r a d 矽) + s ( 2 - 2 1 ) o t 前面所规定的k 一占模型称为高雷诺数模型，适用于离开壁面一定距离的紊 流区域。这里的雷诺数是以紊流脉动动能的平方根作为速度的。在高雷诺数区域， 相对于从可以略而不计。在与壁面相邻的粘性支层中，紊流雷诺数很低，这 里必须考虑分子粘性的影响，此时系数c ，将与紊流雷诺数有关，k ，占方程要作 相应的修改。一般采用壁面函数法去处理，即： 在紊流流核中采用高雷诺数k g 模型，而在粘性支层内不布置任何节点， 把第一个与壁面相邻的节点布置在旺盛紊流区域内。这就是说，与壁面相邻的第 一个控制容积取得特别大。此时壁面上的切应力与热流密度仍然按第一个内节点 与壁面上的速度及温度之差来计算，其关键是如何确定此处的有效扩散系数以及 k 、，占的边界条件以使计算所得的切应力与热流密度能与实际情形相符。 壁面函数法又有单层模型的壁面函数法，二层模型的壁面函数法，三层模型 的壁面函数法。 单层壁面函数法的基本思想如下： l 、假设在所计算问题的壁面附近粘性支层以外的地区，无量纲速度与温度 第二章机体一水套耦合热分析的理论基础 分布服从对数分布律，即： y + 定义为 u + 定义为 引入无量纲温度为： “+ ；三l nj ，+ + 曰 k 。 y + = u + = 丁+ = r w p ( q p c 尸) 由上述式子可得，速度、温度的对数分布率为： “+ ：l h l ( e y + 1 k 7 ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) r ：阜l n ( e y + ) + 庀 听c 羔，秘秒 q 。2 7 式中：l n ( e ) ：b ； k 仃，分子的p r a n d t l 数； 西紊流p r a n d t l 数： a v a n d r i e s t 常数； k 、b 对数分布率中常数。 第二章机体一水套耦合热分析的理论基础 2 、在划分网格时，把第一个内节点( 假设为p ) 布置到对数分布律成立的范围 内，即配置到旺盛紊流区域。 3 、第一个内节点p 与壁面之间区域的当量粘性系数以及当量导热系数毛由 下列方式确定： 锄= 鸬盟 y e g 矽：kr , , - r w y e 式中：g 彤、知由对数分布规律规定； 壁面上的速度； 乃壁面上的温度。 由上两式和对数分布律可导得节点p 与壁面间的当量扩散系数鸬为： 当量导热系数向为： y p 1 肛= u p 知一 y ；, u c p 岛2 而面旷虎而 ( 2 - 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) 4 、对第一个内节点p 上的k 。和占。的确定。 在壁面函数法中，p 点置于粘性支层以外，在这一个控制容积中，k 的产生 厂a 矿、 与耗散都比向壁面的扩散要大得多，因而可以取i 芸i 0 。 l 砂。 至于壁面上的占值的确定，给壁面的6 - 赋值是比较困难的，为避免这一困难， p 的占值不通过求解有限差分方程得到，而是由代数方程来计算。即采用混合长 度理论计算此处的z ，利用z 和定。由( 2 1 8 ) 计算得到s 。 单层模型的壁面函数法基本上没有考虑与壁面相邻的控制容积中紊流物理 量的变化。二层模型的壁面函数法和三层模型的壁面函数法改进了这点不足。二 层模型的壁面函数法根据壁面附近存在粘性支层这一事实，对与壁面相邻的控制 容积中的脉动动能的分布及切应力的分布作出了假设，导出了能考虑分子粘性影 第二章机体一水套耦合热分析的理论基础 响的k 方程中的产生项与耗散项，使计算结果有了一定的改进。其要点主要有： 1 、离开壁面的第一个节点布置在粘性支层以外，取粘性支层的边界恒为无 三 量纲距离监：2 0 的地点，这里下标表示粘性支层的边界。 1 ， 2 、在粘性支层中与壁面平行的速度与离开壁面的距离成线性关系： 三三 u k gy k g 一= - - - - - 一 t 。p v 在旺盛紊流区与壁面平行的速度与离开壁面的距离的对数呈线性关系： l 式中：鬈= 鹂， 从而可得： l e + = 磁。 ( 2 - 3 2 ) 笔斗霉 ( 2 - 3 3 ， 譬斗爿 仁3 4 ， 3 、假设在粘性支层中紊流脉动动能成抛物线分布，而在充分发展紊流区则 与离开壁面的距离成线性关系。 4 、假设在充分发展的紊流区内切应力与离开壁面的距离成线性关系，而在 粘性支层内，则取紊流切应力为零。 5 、认为在粘性支层中紊流的能量耗散占不为零，其值为 三 s ：2 v ( _ o k 2 ) 2 v 粘性支层中k 成抛物线分布的规律，即： f 2 - 3 5 ) 从而可得： 在充分发展区取为： 第二章机体一水套耦合热分析的理论基础 嘲 2 v k , , 占= y ； c l y ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 利用上述条件可得p 控制容积中的k 方程中脉动动能的产生项与耗散项，分别 为： 式中： 脉动动能产生率= 击e ：丛尘盟+ 丛车立 y e 藤鹂y e 锄，$ 咖 ( 2 - 3 9 ) 虿：害+ 球睁小口c 乏一籼 陋4 。， 3 五= a 2。隆 垮萨 石) 降1 ( 砖 ， a 0 榭一十。1 扣爿删 嘲一( 嚣卜 1 6 ( 2 4 1 ) 552 = 气 三堡 = 占 一、， 巧 生 亿 丝以 + 一 o ，、 、，1、， 石一石 + 一 + 第二章机体一水套耦合热分析的理论基础 然后利用求得的脉动动能产生率及耗散项即可求解p 容积中的k 方程，其他方 面的处理与单模型的壁面函数法相同。 a m a n o 进一步完善了两层模型并提出了一个三层模型。在其三层模型中。 a m a n o 进一步把第一个内节点p 与壁面间的距离分为粘性支层与过渡区两部分， 粘性支层的范围是o y + 5 ，过渡区则为5 y + 3 0 。对每一个区域内的k 、s 以及f 的分布均作出假设，于是便可用积分算出p 控制容积中的k 方程及占方程 中的产生项及耗散项，并以这些数值来求解p 控制容积的k 、占方程。 2 5f l o t r a n 流固耦合传热分析的基本原理 对于流固耦合传热问题的求解，主要有两种方法 9 l ： 第一种就是采用分区计算、边界耦合的方法，即：分别对固体和流体区域建 立控制方程，然后列出每个区域的边界条件，在耦合边界上的条件取下列三种表 达式中的两个： 1 、耦合边界上的温度连续，即： 乃j 。= 乃i ： 2 、耦合边界上热流密度连续，即： q i l = q 1 2 3 、耦合边界上的第三类边界条件： 一后( 罢) 彤i 。= 口( 乃一弓) ： ( 2 - 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) 然后假定耦合边界上的温度分布，对其中一个区域进行求解，得出耦合边界 上的局部热流密度和温度梯度，然后利用上面的式子求解另一区域，得出耦合边 界上的新的温度分布，再以此分布作为前一区域的输入，重复上述计算直到收敛。 这是利用有限元软件中的耦合场求解流固耦合传热问题的原理。 第二种求解方法是采用整体求解法，本文中利用f l o t r a n 求解流固耦合传 热问题采用的方法就是这种方法。整体求解法的主要思想就是把不同区域的换热 过程组合起来，作为一个统一的换热过程来求解。整体求解法是对流固区域建立 第二章机体一水套耦合热分析的理论基础 起通用的控制方程，流固区域的控制方程仅在广义扩散系数、广义源项等方面不 同，耦合界面成了求解区域的内部。这种方法省去了流固区域之间的反复迭代， 相比第一种方法，使得计算过程大大简化，计算时间也大为缩短，计算结果也更 加准确可靠。因此整体求解法已经被越来越多的专业软件所采用。 2 6 本章小结 本章主要阐述了流固耦合传热分析的理论基础，并且介绍了本文中所用软件 f l o t r a n 进行整体式流固耦合传热分析的原理，为后续工作的开展奠定了基础。 第三章组合有限元模型的建立和边界条件的施加 第三章组合有限元模型的建立和边界条件的施加 3 1 分析软件的选择 本文对机体温度场的分析采用的是流固耦合传热的方法，根据计算要求对常 用的有限元软件进行了综合比较，最终选择了大型有限元分析软件a n s y s 中的 f l o t r a n 模块作为本文中温度场分析的工具。 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用 分析软件，广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、 电子、造船、汽车交通、国防军工、土木工程、生物医学、轻工、地矿、水利、 日用家电等领域。它由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 公司 开发，能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如p r o e n g i n e e r ，n a s t r a n ， a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理 模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模 型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分 析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合 分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处 理模块可将计算结果以彩色等值线、梯度、矢量、粒子流迹、立体切片、透明及 半透明( 可看到结构内部) 等方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式 显示或输出。软件提供了i 0 0 种以上的单元类型，用来模拟实际工程中的各种结 构和材料【1 0 1 。 a n s y s 程序中的f l o t r a nc f d 分析功能是一个用于分析二维及三维流体流 场的先进工具，它可以用于层流或紊流、传热或绝热、可压缩或不可压缩流、牛 顿流或非牛顿流以及多组分传输等分析 】。 运用f l o t r a n 模块进行流固耦合传热计算，主要包含以下几个步骤【1 2 】： ( 1 ) 创建实体模型与有限元模型 这个步骤也就是前处理，它包括创建实体模型、定义单元属性、划分网格 等几项内容。实体和有限元模型包括固体、流体的实体和有限元模型，本文中主 要是机体、缸套、水套的实体和有限元模型。机体、缸套的实体模型是在p r o e 中建立的，通过a n s y s 的p r o e 接口将实体模型导入a n s y s 中。水套的实体模 第三章组合有限元模型的建立和边界条件的施加 型是通过a n s y s 软件的布尔减运算得到的。a n s y s 中的f l o t r a n 模块提供了两种 分析单元，即f l u i d l 4 1 和f l u i d l 4 2 单元。 f l u i d l 4 1 单元具有下列特征： 维数：二维； 形状：四节点四边形或三节点三角形； 自由度：速度、压力、温度、紊流动能、紊流能量耗散、多达六种流体的各 自质量所占的份额。 f l u i d l 4 2 单元具有下列特征： 维数：三维； 形状：四节点四面体或八节点六面体； 自由度：速度、压力、温度、紊流动能、紊流能量耗散、多达六种流体的各 自质量所占的份额。 本文中有限元模型选用的是f l u i d l 4 2 单元，采用自动网格划分的方式对机 体、缸套、水套的耦合模型进行了网格划分，建立了机体、缸套、水套的耦合有 限元模型。 ( 2 ) 施加载荷 运用f l o t r a n 模块进行流固耦合传热分析时，施加的载荷主要包括流体的 进出口边界条件，固体边界条件，流固耦合界面边界条件等。本文中主要包括水 套的进口温度、速度，出口压力，机体、缸套与外界的对流换热边界条件，流固 界面的无滑移边界条件等。 ( 3 ) 设置流体属性 本文中主要包括冷却水的密度、粘度、比热、导热系数等。 ( 4 ) 设置迭代次数和收敛标准 ( 5 ) 求解 ( 6 ) 查看结果，即后处理过程。 a n s y s 的后处理主要包括通用后处理器( p o s t l ) 和时间历程后处理器 ( p o s t 2 6 ) 。 在通用后处理器中可以查看结果的等值图、结果的列表，以及进行结果的查 询等，还可以进行路径操作、载荷工况组合、提取结果值、结果的数学运算等进 一步的操作，但在通用后处理器中只能观看整个模型在某一载荷步和子步的结 果。 在时间历程后处理器中可以查看模型中制定点的分析结果与时间、频率等的 函数关系。时间历程后处理器有许多分析功能，它能进行简单的图形显示和列表， 也可以进行诸如微分和响应频谱生成等复杂操作。时间历程后处理器的所有操作 第三章组合有限元模型的建立和边界条件的施加 都是对变量进行的，是结果项与时间( 或频率) 的简表。结果项可以是节点处的位 移，单元的热流量，节点处产生的力，单元的应力或磁通量等。时间历程后处理 器的主要工作有：定义和存贮p o s t 2 6 变量、产生图形输出、计算结果列表、进行 变量运算或产生响应谱等【l3 1 。 本文选用的是p o s t l 后处理器，主要是得到机体、缸套、水套的温度分布图， 水套的流场分布图等。 3 2 柴油机机体、缸套、水套组合模型的建立 目前，通过许多大型c a