发动机冷却系统流固耦合稳态传热三维数值仿真

1、第25卷(2007第3期内燃机学报Tran s acti on s of CS I CEVol .25(2007No .3文章编号:100020909(20070320252206252041收稿日期:2006209214;修回日期:2006212215。作者简介:李迎,讲师,博士,E 2mail:liyingcjlu .edu .cn 。发动机冷却系统流固耦合稳态传热三维数值仿真李迎1,俞小莉2,陈红岩1,李孝禄1(1.中国计量学院机电工程学院,浙江杭州310018;2.浙江大学机械与能源工程学院,浙江杭州310027摘要:为解决发动机传热计算时冷却水与缸套、机体之间的流动与传热耦合边界问题

2、,建立了发动机活塞组缸套冷却水机体三维流固耦合系统,并利用有限元分析软件的流固耦合计算功能,把单个零件的传热外边界条件处理成内边界,使得传热仿真更合理更简单。以某增压柴油机为例,用有限元分析软件ANSYS 对建立的三维流固耦合模型进行了稳态传热数值仿真,得到了耦合系统的温度场和流场云图。与标定工况下活塞和缸套的温度场测量数据进行了对比分析,结果表明:仿真结果与实测数据吻合较好,误差控制在80/0以内。由此说明应用流固耦合仿真方法可以较好地模拟发动机稳态传热。关键词:流固耦合;稳态传热;数值仿真;发动机中图分类号:TK421.1文献标志码:A32D S i m ul a ti on of Ste

3、ady Hea t Tran sfer of Flu i d 2Soli d Coupled System i nEng i n e Cool an t Syste mL IY i n g 1,Y U X i a o 2li 2,CHEN Hong 2yan 1,L I X i a o 2L u1(1.College ofM echanical and Electrical Engineering ,China J iliang University,Hangzhou 310018,China;2.College of Mechanical and Energy Engineering,Zhe

4、jiang University,Hangzhou 310027,China Abstract :To s olve the coup led fl ow and heat transfer boundary p roblem bet ween the s olid cylinder and fluid coolant,a fluid 2s olid coup led system including p ist on 2liner 2coolant 2body was established .Modern FEA s oft w are can solve the fluid 2solid

5、 coup led heat transfer p r oblem by transfor m ing outer boundary condi 2ti on t o inner boundary conditi on and makes heat transfer si mulati on more reas onable and si mp le .A s a veri 2fying examp le,the steady heat transfer of a 32D coup led system in a turbocharged diesel engine was si m u 2l

6、ated by FE M s oft w are named ANSYS .Comparis on bet ween si mulati on and measurement on the p iston and liner at the rated operati on mode sho ws that the si m ulated results are in good agreement with experi mental data and the deviation is less than 8%.Thus,fluid 2s olid coup led method can si

7、mulate the engine steady heat transfer .Keywords :Fluid 2s olid coup led system;Steady heat transfer;Numerical si mulati on;Engines引言受到计算条件的软硬件方面限制,以往进行发动机传热计算时,对缸内燃气流动与传热、燃烧室零件传热、冷却系统和润滑系统的流动与传热的仿真模拟是单独研究的1。但是作为机械结构和传热特性都十分复杂的发动机来说,这种把零部件分别做独立研究的方法存在着重大缺陷,即不能体现各零件之间的相互影响关系,不能从全局反映发动机的工作状态。尤其是冷却水的流动

8、与传热和缸套、机体之间的相互影响不能进行合理、透彻地分析2。由Morel 3提出的将内燃机的缸内气体和全体燃烧室部件作为一个整体进行计算机模拟的全仿真模拟在现阶段还难以实现。近年来,很多有限元分析软件已经可以实现流固耦合传热仿真功能4,考虑将此方法应用于发动机中传热关系比较复杂的冷却水和固体零件之间的流动与传热耦合仿真。 应用流固耦合传热方法可以更深入地研究发动机工作时冷却水和固体零件之间的换热状态,同时将流体与固体之间的外边界条件变成相对简单的内边界进行处理。这样,不但使数值仿真更加符合发动机的实际工作状态,又减少了施加边界条件的复杂度。1微分方程及其求解1.1流动与传热微分方程发动机水套内

9、冷却水的流动看作是三维无压缩的湍流,其流动和传热过程遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒定律。在有限元软件中,固体的传热也通过能量守恒方程求解。与流体传热不同之处在于其速度为零,其传热规律满足傅里叶导热定律。以张量形式表示的3个守恒方程及固体零件导热方程如式(1式(4所示5。质量守恒方程为99t+(U =0(1动量守恒方程为9(U 9t=F -p +U (2能量守恒方程为9(c p T 9t=+T +q(3固体导热微分方程为2T =0(4式中:U 为速度矢量;p 为流体压力;为流体的动力黏度;c p 为流体的比热容;为导热系数;F 为作用在流体上的质量力,在重力场中F =g;q 为流体所吸收的热量

10、;T 为流体或固体温度;为能量耗散函数。湍流模型采用时均形式的微分方程,在充分发展的湍流区域,反映湍流脉动量对流场影响的湍流动能方程和湍能耗散率方程可通过标准k 2方程得到,其形式为9k 9t =99x i +t k 9k 9x i +G k +G b -(599t =99x i+t s 99x i +G 1k(G k +G 2G b -C 22k(6式中:k 为湍流动能;为湍流动能耗散率;t 为湍流黏度,t =C k 2/;G k 为由于平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项;G b 为由于浮力引起的湍动能k 的产生项,G b =0;C 1、C 2、C 、k 、为经验常数,C 1=1.44,C

11、 2=1.92,C =0.09,k =1.0,=1.3。1.2耦合边界及微分方程的数值解法对于耦合传热来说,热边界条件是由热量交换过程动态地加以决定而不能预先规定,不能用常规的三类传热边界条件来概括。流体和固体边界上的热边界条件受到流体与壁面之间相互作用的制约。这时无论界面上的温度还是热流密度都应看成是计算结果的一部分,而不是已知条件。解决耦合问题的有效数值解法有顺序求解法和整场离散、整场求解方法。后者把不同区域中的热传递过程组合起来作为一个统一的换热过程来求解,不同的区域采用通用控制方程,区别仅在于扩散系数及广义源项的不同。采用控制容积积分法来导出离散方程时,界面上的连续性条件原则上都能满足

12、,省去了不同区域之间的反复迭代过程,使计算时间显著缩短,成为解决耦合传热问题的主导方法。在流固耦合界面处,使用有限元软件提供的标准壁面函数法处理流动边界层和传热边界层4。壁面函数法实际是一组半经验的公式,其基本思想是:对于湍流核心区的流动使用k 2模型求解,而在壁面区不进行求解,直接使用半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区内的求解变量联系起来。这样,不需要对壁面区内的流动进行求解,就可以直接得到与壁面相邻控制体积的节点变量值。但是壁面函数法必须与高Re 数k 2模型配合使用。发动机冷却水的雷诺数Re >5000,且流动方程使用k 2模型求解,符合壁面函数法的使用条件。使用有限元软件进行

13、仿真时,可根据所建立的仿真对象模型,设定不同零件各自的材料特性,流体的进出口边界及固体的外边界确定后直接施加在有限元模型上,并选定流固边界的计算条件标准壁面函数法即可。2发动机流固耦合模型2.1三维有限元模型以某6缸增压柴油机为例,建立其活塞组缸套冷却水机体三维流固耦合模型。柴油机的缸径为0.13m ,行程为0.14m ,标定转速为2100r/m in,标定功率为154k W 。对该算例的流固耦合系统进行了稳态工况下的流动与传热数值仿真。对所建立的模型有如下几点假设:1活塞在缸套内只做直线运动,不考虑其横向摆动,活塞和缸套间的润滑油膜厚度均匀;2活塞环与活塞环槽无间隙,无燃气泄漏;3稳定工况下

14、水泵工作稳定,冷却液的压力和流速均保持为恒定值;4各缸工作均匀,只选取中间一缸为仿真对象,3522007年5月李迎等:发动机冷却系统流固耦合稳态传热三维数值仿真水套和机体形状都进行了简化。使用有限元仿真软件ANSYS10.0中的F LOT RAN 模块进行三维流动与传热耦合计算。选用三维流体单元以自动加密形式划分网格,共产生570955个单元,如图1所示 。图1发动机流固耦合系统三维有限元模型图F i g .132D f i n ite elem en t m odel of eng i n es flu i d 2soli d coupled syste m活塞组缸套冷却水机体流固耦合模型中

15、各零件材料特性如表1所示。表1耦合系统各零件的材料特性Tab .1Parts ma ter i a l properti es of coupled syste m 名称材料导热系数/(W m -1K -1密度/(kg m -3比热容c p /(J kg -1K -1活塞共晶硅铝合金1502700880缸套硼铸铁457500420活塞环合金铸铁407500470冷却液水0.410004200机体灰铸铁4575004202.2燃气侧热边界条件由自编缸内工作过程程序计算得到算例柴油机标定工况下的缸内燃气温度和换热系数,工作过程计算采用零维燃烧模型,采用Woschni 公式6计算燃气瞬时换热系数,计

16、算得到的缸内燃气瞬时温度和换热系数如图2、图3所示。由于数值仿真中需要的是燃气循环平均温度T m 和换热系数m ,经式(7、式(8计算后施加在活塞顶面、缸套内表面与活塞第一环接触线以上部分,则T m =720T d 7200d (7m =720d 720(8式中:为缸内燃气瞬时换热系数,W /(m 2K ;T 为缸内燃气瞬时温度,K 。2.3活塞、缸套底部润滑油换热目前活塞内腔和缸套下部与润滑油雾之间还没有一个很好的换热关系式,但根据热平衡关系,在稳态时流入的热量等于流出的热量,燃气热量从活塞顶流向环区和内腔。结合傅里叶公式和牛顿公式即可算出内 腔的换热系数7为h =(t w 1-t w 2(

17、t w 2-t oil (9式中:h 为润滑油雾与活塞、缸套壁面的换热系数,W /(m 2K ;为活塞顶中央与正下方的活塞内腔壁厚,m ;t w 1为活塞顶温度,K;t w 2为活塞内腔温度,K;t oil 为底部润滑油雾温度,K 。由于活塞顶和活塞内腔温度为待求温度,所以首先根据所计算的柴油机型号和工况取不同的初值,经迭代运算后可确定终值。图2缸内燃气瞬时温度F i g .2Tran si en t te m pera ture of the ga s i n cyli n der图3缸内燃气瞬时换热系数F i g .3Tran si en t hea t tran sfer coeff i

18、 c i en t of thega s i n cyli n der2.4冷却水边界机体内冷却水的流动认为是三维不可压缩紊流流动,入口采用速度边界,由标定工况下水泵的泵水量及入口面积确定。出口采用自由出口边界。452内燃机学报第25卷第3期3数值仿真结果及分析 将上述流固耦合系统的各零件材料特性和边界条件施加到有限元模型上,计算收敛后得到柴油机活塞组缸套冷却水机体流固耦合系统在标定工况下的温度场和流场。图4为耦合系统温度场剖面图,从图4中可以看出,标定工况下耦合系统的最高温度为599.2K,最高温度点出现在活塞喉口处。柴油机工作时,活塞高速往复运动过程中,喉口处受缸内高温燃气冲刷最为严重。耦

19、合系统的温度场以活塞上顶面为中心,温度沿径向逐渐降低,沿轴向向下也呈逐渐下降的趋势 。图4流固耦合系统纵剖面温度场云图F i g .4Te m pera ture con tour cross secti on ofthe flu i d 2soli d coupled syste m活塞是整个系统中温度最高的零件。该机型的活塞为偏置型燃烧室,活塞的温度分布随燃烧室的偏置呈现出不对称性。高温的活塞经活塞环和润滑油膜向缸套传热,缸套上部温度明显高于下部分。缸套的温度分布如图5所示。可见,缸套的温度分布非常不均匀,最高温度出现在与第一活塞环接触之处。由于建模时将水套简化为简单的圆筒形状,使得冷却水

20、套的结构不合理,造成流场分布不均,从而使缸套温度分布不均匀程度加剧 。图5标定工况时缸套温度场云图F i g .5Te m pera ture con tour of the li n er a tthe ra ted m ode为了能更深入地分析缸套内壁的温度分布状态,沿缸套轴向在缸套内表面选取了4条路径,如图6所示。以缸套的上端面为起点,将其内壁上沿这些路径的温度梯度做成如图7的曲线。曲线显示缸套内表面的温度随着离缸套最顶端的距离越大,总体呈下降的趋势。但是在缸套与活塞环接触处温度有所升高,曲线出现了拐点。这是由于活塞的热量在此处经活塞环传递到缸套。曲线波动较大,说明缸套的温度并不是均匀分

21、布的,这是由于冷却水套的流场分布不均而造成零件的各点有温度差别。由此可见,在前人对缸套温度场模拟计算中把水套流动简化为一维管内紊流的做法与实际情况差别较大 。图6缸套温度梯度路径示意图F i g .6Sketch map of li n er te m pera ture pa th图7标定工况时缸套内表面温度曲线F i g .7Te m pera ture curve of li n er i n ter i or surfacei n ra ted m ode使用流固耦合传热仿真方法计算结束时,不但可以得到固体零件的温度场,同时可以得到冷却水的温度场和流场矢量分布状态,有利于更深入细致地探

22、讨流体和固体之间的传热影响关系。图8为标定工况时冷却水套的温度场分布云图。冷却水套的温度分布非常不均匀,最高温度出现在与缸套上部接触部分。从耦合系统温度分布和缸套温度5522007年5月李迎等:发动机冷却系统流固耦合稳态传热三维数值仿真曲线可以看出,缸套上部温度明显高于下部分。这就要求冷却系统在上部应该有较好的冷却效果,冷却液流速应比较大,并形成包围缸套的环流。图9为冷却水套的三维矢量流场,标定工况下的最大流速接近7.0m /s 。但是入口处和出水口处的速度比较高,包围缸套的部分流动比较均匀,而且上部基本没有形成周向环流。这是由于该模型过于简化,没有起到实际发动机运行时冷却水套的设计要求,从而

23、也是造成缸套和水套的温度分布非常不均匀的主要原因 。图8标定工况时水套温度场云图F i g .8Te m pera ture con tour of the cool an t a tthe ra ted m ode图9标定工况时水套流场矢量图F i g .9Vector graph of the cool an t a tthe ra ted m ode4温度场试验结果由于初次使用流固耦合传热模型,其准确度还需要温度场的试验测量结果进行验证。试验机型与仿真用机型相同,试验时热电偶的位置及编号如图10所示。为避免表面温度波动引起的误差,实测数据是距表面(1.52mm 处测得。取标定工况下与测点

24、相同位置的温度计算值,与测量值的对比结果列于表2。从表2可以看到,数值仿真的结果和试验测量结果的误差较小,应用流固耦合传热方法可以有效地模拟稳态工况下活塞组缸套冷却水机体之间的耦合传热关系 。图10测点编号及位置示意图F i g .10M ea sured po i n t nu m ber and loca ti onsketch map表2标定工况下温度场计算值与测量值对比Tab .2Co m par ison of si m ul a ti on and test da t a of thecoupled syste m tem pera ture a t the ra ted m od

25、e编号位置说明计算值T /测量值T t /误差/%13距缸套顶面26mm 186.65179.5 4.023距缸套顶面60mm 148.56139.0 6.933距缸套顶面110mm 136.83129.5 5.74活塞顶面外侧307.40304.0 1.15燃烧室喉口328.66327.00.16燃烧室顶尖301.14280.07.57第一道环槽上侧226.74232.0-2.38第一道环槽224.13215.0 4.29第一道环槽下侧210.62198.0 6.410第二道环槽197.09177.011.311活塞内腔顶241.01226.06.63注:测点13为活塞燃烧室偏置一侧的缸套内

26、壁.5结论(1流固耦合传热数值方法可以有效解决发动机稳态工况下冷却水与固体零件之间的耦合流动与传652内燃机学报第25卷第3期2007 年 5 月 李 迎等 : 发动机冷却系统流固耦合稳态传热三维数值仿真 257 热问题 ,与发动机温度场测量结果误差较小 。 ( 2 流固耦合传热数值仿真将原来单独计算单 个零部件温度场时的外边界条件变成内边界条件 , 流 固耦合界面的流动与传热由软件自动施加边界条件并 进行计算 。这种处理方法既简化了边界条件 , 又使得 仿真更符合发动机的实际工作状态 , 从而提高了仿真 的合理性和精度 。 ( 3 用数值仿真方法可以得到比试验测量更丰 富的信息 。虽然在流固耦合模型应用于数值仿真的初 始阶段需要试验的验证 , 但是数值仿真依靠其数据丰 富、 不受环境条件限制 、 周期短 、 成本低的优势 ,必将成 为发动机流动与传热研究的发展趋势 。 参考文献 : 1 白敏丽 ,丁铁新 ,吕继祖 . 活塞组 气缸套耦合传热模拟 J . 内燃机学报 , 2005, 23 ( 2 : 168 175. 2 Xin Jun, Stephen Shih, Edw in Itano. Integration of 3D Sim 2 3 Morel T, Fort E,