采用软件进行发动机流固耦合分析

杨万里许敏辛军刘国杨万里许敏辛军刘国庆李修蓬奇瑞汽车有限公司汽车工程研究院，安徽芜湖：建立内燃机部件或者整机详细的传热分析模型，整机模型包括缸盖、火花塞、进排气门、缸体、汽缸垫及框架的详细有限元模型。考虑接触面的接触热阻；采用AVL-FIRE软件，将流体传热边界分成层流和湍流区域，应用k或雷诺应力关键词：内燃机；CFD；耦合传热；有StudyofCouplingHeatTransferofWholeInternalCombustionYang Xu Xin Liu Li Chen1AutomobileEngineeringResearchInstitute,CheryAutomobileCo.,Ltd,Wuhu,241009,Abstract:ThedetailheattransferFEmodeloftheenginecomponentsorthewholeenginehavebeenestablished.Thewholeenginemodelincludescylinderhead,sparkplug,intakeandexhaustvalve,cylinderbody,gasket,bedplateandsoon.Thecontactthermalresistancehasbeenconsideredbetweenthesurfaces.Thefluidboundaryhasbeendividedintolaminarandturbulentflowregions,andtheconvectiveheattransferbetweenthecoolingjacketandthewaterhasksimulatedorReynolds-stressmodelwiththeAVL-FIREsoftware.TheheattransferboundaryconditionsthecombustionchambersurfaceshavebeendefinedbycombiningthethermodynamicssimulationwiththeAVL-BOOSTsoftwareandtheexperimentalexperience.Atlast,theheattransferboundaryconditionsoftheenginehavebeenestablishedbyprojectingthesimulatedconvectiveboundaryconditionsbyCFDonthestructuralelementsurfaces.Themethodhasbeenusedtocalculatethethermalloadofthecylinderheads,exhaustmanifoldsandwholeengines,thesimulatedresultsareingoodagreementwiththemeasuredvalues(temperature).Itcanbeemployedtodiagnosethehighthermalmalfunction,modifythestructureandevaluatetheenginestructureduringthedetaildesignphase.Keywords:Internalcombustionengine;CFD;Couplingheattransfer;Finite耦合方法，采用AVL-FIRE、AVL-BOOST和ABAQUS软随着不可再生能源的日益枯竭以及环保法规内燃机设计初期进行内燃机整机热负荷全仿真模拟，已经成为内燃机设计过程中最关键的技术之1采用k湍流模型来计算冷却水套与壁面、k湍流模型的输运方程为 k(,d,p,f(k) (kui) kxj式(8)中，AB点的温度均值；dABGkGbYM和f间的距离，p为AB点的接触压力 k(,d,p,f(k) (kui) kxj式(8)中，AB点的温度均值；dABGkGbYM和f间的距离，p为AB点的接触压力 为关rt()x(ui)x将 简化为间隙距离的函数j jiC(GCG)段处理后得到壁面边界条件。本文工程计算时， 3 kk式(1)和式(2k为湍动能；为耗散率；Gk为由平均速度梯度产生的湍动能，Gb为由浮力产生的湍动能，YM表示膨胀耗散项C1、C2C为常数。k、kSSK层流区域的换热系数为c2htc P1/4缸盖、火花塞、进排r r yc yhtc m1P.lnE.yPr式(4)中，K为卡门常数；E为常数；P.ymmm2T2Tx y z式(6)中，T为温度，x、y、z为笛卡尔坐标分量。稳态温度场导热控制方程满足三类边界条件（温 k( 式(7)q的热流；和分别为Ａ点和Ｂ点的温度 图 DSI发动机缸盖有限元模2.3图 DSI发动机缸盖有限元模2.3采用k湍流模型分析水套冷却液的流动和2.22.3图SSIDSI发动机缸盖的环境温度及对流换热B图 DSI发动机缸盖传热边界条从图中可以看出，SSIDSI缸盖水套壁面环热系数在分布上基本一燃烧室工质温度为1127℃，对流换热系数652W/m2k650300W/m2k。导套与缸盖、火取15000W/m2k；气门与导套间采用接触模型，接触面传热系数取1500W/m2k。ABSSIA图 DSI发动图 DSI发动机缸盖温度场分温度为229oC，最高温度区域出现在火花塞靠近排DSI223oC，在火花塞附近和鼻梁中部出现三个高温区域，鼻梁中部最高温度为SSI发动机缸盖进行了温度测试，测试点分布及各2.62.7图示了测试点的测量图 SSI缸盖燃烧室热应力分2.8中可以看出，最高热应力出现在火花力位于鼻梁中部偏排气道侧，为140MPa。图图 SSI发动机缸盖温度场测量图 DSI缸盖燃烧室热应力分部偏排气道侧，为190MPa。2.72.52.6从分析过程和分析结果可以得到如下几条结论：(1)机热负荷是一种比较精确的方法；(3)145MPa33.1机热负荷是一种比较精确的方法；(3)145MPa33.1本文采用流固耦合方法对发动机排气歧管的CFD技术CFD分析的边界条件。通过多次迭代计算，得到排气歧管稳定的温度场并计算其热应力。文为了保证流体边界条件和固体边界条件之间的影壳网格的厚度取0.001mm，从而保证壳网格的厚度3.21.m加厚到4m。取大小适宜的空间作为发动机外流场计算算模型，图3.3图示了排气歧管局部网格。3.43.43.4表面温度作为CFD计算的边界条件进行CFD分析，8次迭代后，结构温度场节点的温度场前后2次计3.93.10图示了排气歧管两个热应力460MPa动机热力学分析程序计算一个循环内排气歧管的3.109可以看出，区域1出9可以看出，区域1出现应力集中，原因1、2的热应力集中，从而导20mm的改3.113.12图示了采用上述方法3.133.113.143.133.1413.6通过本文的研究可以得到如下结论：(1)采用流固耦合的分析方法可以得到发动机及部件较准机的开发周期，并降低开发成本；(2)对于高热负3.12后最高应力值为312MPa（见图311。但是，原求；⑶由于缺乏材料特性随温度变化的数据，因4整机热负荷模拟存在三大难题：①复杂对流求；⑶由于缺乏材料特性随温度变化的数据，因4整机热负荷模拟存在三大难题：①复杂对流才能得到较准确的简化模型；③问题求解规模的格，数十万单元的高阶结构网格；④涉及的学科图 采用k湍流模型分析液体的流动和传热CFD分析，可以计算出冷却4.CFD分析模1234.３内燃机冷却水套壁面换热系数通过热力学计算并结合试验经验确定气缸套4.4图 4.7图示了缸体的温度场分布情况，从图中1图 4.7图示了缸体的温度场分布情况，从图中1、22、33、4缸之4图 4.4210图 最高温度为210oC，出现在第4缸。4.5～4.8显示：整个发动机的温度场能满图 造成的。火花塞的最高温度为250.6oC。4.5图 4.6图示了进排气阀的温度场分布情况，从724oC，同样，进气阀接近圆心处也出现最高温度，达到663oC，进气阀的最高温度比进气阀最高温度高2422024.6AB图 4.6AB图 AB图 A4.7设计期间应计算发动机在各种组合工况下的BB.E.LaunderB.E.LaunderandD.B.Spalding.Lecturesinmathematicalmodelsofturbulence.AcademicPress,London,1972.Schlichting,H.,Boundarylayertheory, McGraw-HillBookCompany,NewYork,1968..YangWanli,ChenYanandZhengXiaoling,SimulationofcouplingheattransferofcomponentsysteminICEcombustionchamber