車用發(fā)動機熱交散系統(tǒng)的多場耦合分析

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1、車用發(fā)動機熱交散系統(tǒng)的多場耦合分析多場耦合問題是指在一個系統(tǒng)中，由兩個或者兩個以上的場發(fā)生相互作用而發(fā)生的一種現(xiàn)象，它在自然界或機電產(chǎn)品中廣泛存在。熱交散系統(tǒng)涉及到冷熱流體的熱交散，流體流動對散熱造成影響，而結(jié)構(gòu)溫度也會影響流場，冷熱流體通過散熱管之間的散熱是一個不可分割的過程，通過多場耦合分析和數(shù)值模擬能夠求出界面的對流散熱系數(shù)，進行精細的散熱評價；多場耦合研究也可以直觀的顯示出各構(gòu)件的溫度和流體壓力載荷分布，能更好地進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，確保熱交散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全和節(jié)省材料。一、主要研究內(nèi)容1熱交散系統(tǒng)所涉及的多場耦合范圍對于熱交散系統(tǒng)，主要涉及

2、到結(jié)構(gòu)場、流場、溫度場的耦合，因而通常分析其以下幾個層面的耦合：●流體-熱耦合，即流場及其溫度場的耦合，流場對溫度場的影響體現(xiàn)為有熱交散的流動系統(tǒng)滿足的熱力學(xué)第一定律，溫度場對流場的影響體現(xiàn)在溫度可改變流體的動力粘度?！窠Y(jié)構(gòu)-熱耦合，即結(jié)構(gòu)場及其溫度場的耦合，溫度場對結(jié)構(gòu)的作用表現(xiàn)為溫度差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的膨脹或縮小從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，而固體的變形對熱的參數(shù)影響很小，一般可以忽略?！窳黧w-結(jié)構(gòu)耦合，即流場與結(jié)構(gòu)場的耦合，表現(xiàn)為流體產(chǎn)生的壓力加到結(jié)構(gòu)上，而結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移和速度加到流體上，這就是流固耦合問題。●流體-結(jié)構(gòu)的熱耦合，即流體的流場、溫度場與結(jié)構(gòu)的

3、溫度場的耦合，也就是耦合傳熱問題，也叫做共軛傳熱，涉及到流體與結(jié)構(gòu)界面上的熱邊界條件(溫度、熱流密度)是由熱量交散過程中動態(tài)地加以決定而不能預(yù)先規(guī)定的問題?！窳黧w-結(jié)構(gòu)-熱耦合，涉及到以上5種耦合問題，即流體的流場及其溫度場與結(jié)構(gòu)場及其溫度場的耦合，它是研究流體流動與傳熱、以及結(jié)構(gòu)變形的綜合問題，固體的小變形對流體流動和傳熱影響一般可以忽略，固體的大變形對流體流動和傳熱影響較大，不可忽略。對于散熱器，人們對流體-熱耦合、結(jié)構(gòu)-熱耦合研究較多，而對流固耦合、耦合傳熱研究較少，以下將針對流固耦合、耦合傳熱的一般問題進行敘述。2.耦合計算的難點及解

4、決思路流固耦合問題的明顯特征是強非線性：不僅流體動力學(xué)方程本身是非線性的，而且流固耦合運動相互關(guān)聯(lián)作用過程也是非線性的。求解流固耦合問題的數(shù)值解法有：整體的數(shù)值求解方法和交替的數(shù)值求解方法。最常用的整體方法求解[55-58]，但是由于將流體域和固體域的變量作為整體求解，方程規(guī)模龐大，數(shù)值求解計算量大，而且由于描述流體方程和固體方程在性質(zhì)上有很大不同，給求解過程帶來很大困難。交替求解方法是將流體和固體分成兩個單獨的求解域，在數(shù)值求解過程各時刻交替地求解這兩個區(qū)域，并在交替求解過程中通過耦合界面進行有關(guān)物理量的傳遞從而達到不同求解域的相互耦合。交

5、替求解法越來越受到研究者們的重視，如PipernoS.andFarhatC.[59,60]針對氣動彈性問題深入研究了交替算法，王少波等人[61]基于ANSYS商用軟件研究了交替求解流固耦合問題。網(wǎng)格插值方法是流固耦合領(lǐng)域的重點和熱點。大多數(shù)有實際意義的耦合問題都無法獲得分析解，因而要求采用數(shù)值解法。數(shù)值解法可分為：(1)分區(qū)求解、邊界耦合法，耦合邊界上應(yīng)滿足三類邊界條件中的任兩類；對這種計算方法，迭代過程收斂的快慢主要取決于耦合邊界上信息的傳遞；(2)整場離散、整場求解法，它是耦合傳熱問題的有效方法，這時把不同區(qū)域中的熱傳遞過程組合起來作為一

6、個統(tǒng)一的散熱過程來求解，不同的區(qū)域采用通用控制方程，區(qū)別僅在廣義擴散系數(shù)及廣義源項的不同，耦合界面成了計算區(qū)域的內(nèi)部；采用控制容積積分法來導(dǎo)出離散方程時，界面上的連續(xù)性條件原則上都能滿足，這樣就省去了不同區(qū)域之間的反復(fù)迭代過程，使計算時間顯著縮短。本文主要研究內(nèi)容針對不同管型散熱管及管內(nèi)外流體為研究對象，應(yīng)用現(xiàn)有的固體力學(xué)和流體力學(xué)計算軟件，建立多物理場耦合數(shù)值計算模型和求解方法，為散熱管的研究、設(shè)計開發(fā)提供有效的計算方法和手段，對提高散熱器的綜合性能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化和開發(fā)提供依據(jù)。主要研究內(nèi)容包括以下四個方面：1．選取散熱器中散熱管結(jié)構(gòu)為研究

7、對象，應(yīng)用有限元方法對散熱管結(jié)構(gòu)在考慮溫度及壓力載荷作用下進行數(shù)值計算，得到其結(jié)構(gòu)溫度場、應(yīng)力場分布。同時對三種數(shù)值結(jié)果與理論結(jié)果進行對比分析。2．以散熱管內(nèi)外流體為研究對象，流體介質(zhì)為不可壓縮、層流、粘性、牛頓流體?；谟邢拊挠邢摅w積法對結(jié)構(gòu)進行離散，利用流體動力學(xué)軟件CFX對模型中流體與溫度之間耦合傳熱問題進行數(shù)值計算，得到管道與環(huán)空流體的溫度、速度及壓力分布情況。3．選取多種不同管型散熱管及其內(nèi)外流體為研究對象，建立流體-結(jié)構(gòu)-溫度多物理場耦合數(shù)值模型。利用ANSYS軟件分別對流體耦合傳熱及結(jié)構(gòu)應(yīng)力問題進行數(shù)值計算，得到管程流體的溫度

8、、速度、壓力分布，管程與殼程流體進出口溫差與壓降規(guī)律，散熱管內(nèi)外表面溫度、流體臨近壁面溫度與熱流量之間的關(guān)系，得出散熱管內(nèi)外面表面的傳熱系數(shù)，分析各類散熱管的散熱性