37 基于流固耦合的发动机温度场仿真研究

STAR 2018中国用户大会论文集 基于流固耦合的发动机温度场仿真研究基于流固耦合的发动机温度场仿真研究 邹婷1 庄林毅 李春芳 李晓晓 张静 北京汽车动力总成有限公司 北京 101108 TelEmail zouting 摘摘 要 要 本文建立了由发动机缸体 缸盖 缸垫 气门 座圈 导管 冷却水套组成的流固耦合传热模型 采用缸 内燃烧计算的燃烧结果和集成排气歧管的流动结果作为进排气道 进排气门和燃烧室的换热边界 采用ST AR CCM 软件对该模型进行换热分析 得出了缸体 缸盖的温度场分布 结果表明 基于流固耦合的温度场结 果与FEA分析所得整机温度场结果基本一致 与试验结果相比精度在可接受范围内 表明了此种方法计算 缸盖温度场的可行性 同时采用该流固耦合的分析方法进行水套优化分析 通过计算得到的温度场结果更 加直观的判断优化设计的效果 关关键词键词 汽油机 水套 缸盖 缸体 温度场 流固耦合 0前言 目前 随着计算机性能的高速发展 在工程实践中解决复杂的流体流动与 传热问题等方面 CFD技术已成为有效的技术手段 在发动机热管理方面 利用C FD技术对冷却水套进行模拟分析可以得到许多试验台架上得不到的信息 比如 发动机冷却水套的整体流场分布 各流速区域的细节信息等 这些都为我们快速 准确的判断和改善发动机冷却性能提供了精确直观的数据 提高了发动机开发 效率 但是内燃机零部件的工作状态一般都比较复杂 要准确的确定边界比较困 难 在对零部件和系统分别做独立研究时 由于各部件之间是相互独立的 边界 条件不能相互耦合 但实际上各部分之间密切相关 因此这种方法不能从全局真 实地反映发动机的工作状态 所以 为了更准确 客观地研究发动机的热负荷问 题 需要对冷却系统的流动和零部件的导热问题进行耦合计算 本文应用STAR CCM 软件将水套与整机进行耦合计算 减少了边界的假设 缩短了计算周期 提高精度的同时为评价水套流动提供了明确的判断依据 STAR 2018中国用户大会论文集 1 计算模型 图1为在STAR CCM 中建立的流固耦合分析的几何模型 主要包括缸体 缸盖 缸垫 气门 座 圈和气门导管 本文采用的多面体网格 为保证计算精度 流体域水套的基础尺 寸设置为2mm 局部细化 固体域基础尺寸设置为4mm 在高热流密度传热区细 化 总网格数在440万左右 如图2所示 缸盖 缸体 气门 座圈 导管 缸垫 图1 几何模型 图2 网格模型 2边界条件和计算方法 计算采用稳态计算 在缸套 燃烧室顶面和进 排气道上施加表面气体温度 场和换热系数分布 该边界取自一个工作循环720 CA的燃烧结果和排气歧管的 CFD结果 通过map 1 功能完成数据映射 对于缸体 缸盖与空气和机油接触的面 STAR 2018中国用户大会论文集 分别给相应的定常环境温度和换热系数 对于缸体 缸盖 气门等固体部件 根 据各自材料给定相应的随温度变化的导热系数 对于水套和气缸之间的换热 则 通过固体域与流体域之间的接触面边界来实现 该计算工况点为额定功率点 水 套的流体域计算边界如表1所示 定常换热边界如表2所示 表1 水套边界条件 边界条件值 入口流量 kg s 1 97 入口温度 K 363 15 出口流量分配比例 表2 换热边界条件 边界条件温度 K 换热系数 W m 2 K 备注 进气道 进排气门 燃烧室等 缸内燃烧计算结果 集成排气歧管 排气歧管CFD计算结果 空气33340 机油393150 3计算结果分析 3 1流场分析 缸体水套速度分布如图3所示 缸体水套大部分区域流速均大于1m s 无大 面积流动死区 缸体水套二 三缸进气侧流速偏低 一缸缸体水套流速较高 缸 盖水套速度分布如图4所示 各缸鼻梁区流速均在1m s以上 进气侧 1 2 3 排气侧 3 2 1 图3 缸体水套速度云图 STAR 2018中国用户大会论文集 1 2 3 1 2 3 图4 缸盖水套速度分布 3 2温度场分析 图5为FEA和CFD分析的缸盖温度场分布对比图 相同colour bar下温度场云图 由图可见 缸盖上的温度峰值出现在每缸排气侧的鼻梁区 集成排气歧管的温度峰值出现在排气夹角处 图7 b 中M1位置处 这主要是 由于该区域附近的高温排气放热导致的 FEA计算的温度场鼻梁区最高温度为23 9 排气歧管最高温度为235 5 CFD计算的温度场鼻梁区最高温度为227 排气歧管最高温度为243 5 图6为各缸缸盖火力面的FEA CFD分析结果和试 验结果的对比图 图7为集成排气歧管的FEA CFD分析结果和试验结果的对比 图 从对比结果来看 FEA和CFD的计算结果整体趋势一致 且与试验结果的误 差也相当 在高温关键区域 C2 C3 的误差能控制在5 以内 239 227 STAR 2018中国用户大会论文集 235 5 243 5 a FEA结果 b CFD结果 图5 缸盖温度场分布 a 一缸 b 二缸 c 三缸 d 缸盖温度场测点位置 图6 缸盖火力面温度场对比 a 排气歧管温度对比 b 排气歧管温度场测点位置 图7 排气歧管温度场对比 图8为FEA和CFD分析的缸体温度场分布图 缸体最高温度出现在缸间上止 点附近区域 图9为缸体的FEA CFD分析结果和试验结果的对比图 从对比结果 来看 FEA和CFD的计算结果整体趋势一致 且在高温关键区域 1R1 2F1 2R1 3F1 的误差能控制在5 以内 STAR 2018中国用户大会论文集 a FEA结果 b CFD结果 图8 缸体温度场分布 1 1 F E I R a 缸体温度场对比 b 缸体温度测点位置 图9 缸体温度场对比 3 3缸体水套优化分析 考虑该缸体的缸间最高温度略偏高 现对该缸体水套进行优化 通过加大缸 间冷却来降低缸间温度 下图10为优化前后的缸体水套模型 优化后的缸体水套 黄色方案 较优化前水套 蓝色方案 的缸间向缸心方向加深了3 4mm 缸盖水套 及上水孔设计均保持不变 图10 缸体水套优化前后对比 STAR 2018中国用户大会论文集 图11为缸体水套优化前后速度场对比 从图可看出优化前后的速度场分布 相差不大 图12为采用流固耦合的计算方法得到的优化前后缸体的温度场对比 结果 优化后方案的缸间最高温度降低了4 2 a 优化前 b 优化后 图11 缸体水套优化前后速度场对比 a 优化前 b 优化后 图12 缸体水套优化前后温度场对比 4结论 通过上述分析得出以下结论 1 建立由发动机缸体 缸盖 缸垫 气门 座圈和气门导管组成的流固耦合 传热模型 采用缸内燃烧计算的一个工作循环720 CA的燃烧结果和集成排气歧 管720 CA的流动结果作为换热边界 采用STAR CCM 软件对该模型进行换热分析 得出了水套的流场分布和整机温度场分布 STAR 2018中国用户大会论文集 2 通过以上方法计算所得温度场与FEA分析结果及试验结果进行对比分