柴油機(jī)機(jī)體-冷卻水套流固耦合系統(tǒng)傳熱仿真.pdf

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1、第26卷第7期1182010年7月農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)TransactionsoftheCSAE、，01．26No．7Jul．2010柴油機(jī)機(jī)體一冷卻水套流固耦合系統(tǒng)傳熱仿真王唯棟，孫平，張銳，劉天將(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013)摘要：為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷高這一現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要障礙，該文就算例柴油機(jī)的機(jī)體及冷卻水套作為耦合系統(tǒng)，采用流固耦合的方法實(shí)現(xiàn)整體耦侖傳熱計(jì)算，從而將單獨(dú)計(jì)算比較難確定的部分邊界條件轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)的內(nèi)部邊界，在Fluent軟件中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算得到的收斂結(jié)果與采用熱電偶法測(cè)昔的機(jī)體及冷卻水的溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合。根據(jù)機(jī)體及冷卻水溫度場(chǎng)分布，對(duì)

2、機(jī)體和水套結(jié)構(gòu)作適當(dāng)改進(jìn)來(lái)增加冷卻水套的降溫效果，再次做耦合系統(tǒng)的傳熱計(jì)算，發(fā)現(xiàn)A、B2種改進(jìn)方案較原模型相比分別將機(jī)體最高溫度降低到了152℃和122℃，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)改進(jìn)的合理性，最終有效地改善了發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷。關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，冷卻系統(tǒng)，傳熱，流固耦合doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2010．07．021中圖分類號(hào)：TK421文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002—6819(20lO)一07—0118—05王唯棟，孫平，張銳，等．柴油機(jī)機(jī)體一冷卻水套流固耦合系統(tǒng)傳熱仿真[J】．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(7)：118—122．WangWeidong，S

3、unPing，ZhangRui，eta1．Simulmionofheattransferbyliquid-solidcoupledmethodofengineblockandcoolingwaterjacket[J]．TransactionsoftheCSAE，2010，26(7)：118—122．(inChinesewithEnglishabstrac0^罩l士1．1耦合系統(tǒng)模型的建立與網(wǎng)格劃分?！?應(yīng)用Pro／E軟件對(duì)所需的機(jī)體和冷卻水套進(jìn)行三維在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域里，多場(chǎng)耦合計(jì)算已經(jīng)逐漸得到應(yīng)實(shí)體模型的創(chuàng)建。模型如圖l所示。用l卜2l，F(xiàn)EV公司在水套優(yōu)化計(jì)算中使用了流熱耦合傳

4、熱法；A．P．Kleemann用耦合傳熱法計(jì)算了氣缸蓋溫度場(chǎng)l副；2006年，無(wú)油所郭立新等人應(yīng)用Star-CD軟件采用．直接流熱耦合計(jì)算方法計(jì)算了某汽油機(jī)氣缸蓋和機(jī)體的溫度場(chǎng)，測(cè)點(diǎn)計(jì)算值和實(shí)測(cè)值最大誤差為7．64％，反映了該方法計(jì)算具有足夠的精度【4～l。本文采用流固耦合方法對(duì)機(jī)體．冷卻水套流同耦合系統(tǒng)進(jìn)行傳熱計(jì)算，流固耦合傳熱研究是將固體部件和流體區(qū)域進(jìn)行整體建模，對(duì)這一整體進(jìn)行傳熱研究，包括結(jié)構(gòu)上的各系統(tǒng)禍合和計(jì)算中各物理場(chǎng)的耦合。耦合傳熱計(jì)算不但減少了計(jì)算的邊界條件，又使仿真更加符合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作狀況，從而能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)初期概念設(shè)計(jì)階段有效降低研發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)，也為設(shè)計(jì)人

5、員提供較為可信的設(shè)計(jì)參考睜引。1發(fā)動(dòng)機(jī)流固耦合傳熱系統(tǒng)的建模與數(shù)值模擬計(jì)算本文中的數(shù)值計(jì)算是基于有限容積法的流固耦合系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱的計(jì)算，其中流體和固體耦合壁面的溫度場(chǎng)求解采用直接耦合法[9—01，應(yīng)用Fluent軟件的耦合求解功能同時(shí)求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程以及湍流方程，直至收斂。收稿日期：2009．12．16修訂日期：2010-04-02作者簡(jiǎn)介：王唯棟(1985一)，男，江蘇蘇州人，從事發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱與熱負(fù)荷研究。鎮(zhèn)江江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，212013．Emaihsky帥lk∞r(nóng)@163．com圖1三維計(jì)算模型Fig．13Dcomputationmodel

6、s本文模型的網(wǎng)格劃分是應(yīng)用Hypermesh軟件中的自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能。并對(duì)機(jī)體和冷卻水套的裝配貼合的雙邊壁面進(jìn)行耦合處理，在網(wǎng)格劃分時(shí)將該壁面處理成共用面，從而實(shí)現(xiàn)流固耦合的傳熱計(jì)算。網(wǎng)格采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格形式中的四面體單元。劃分后的網(wǎng)格模型如第7期王唯棟等：柴油機(jī)機(jī)體．冷卻水套流同耦合系統(tǒng)傳熱仿真119圖2所示。圖2耦合系統(tǒng)網(wǎng)格模型Fig．2Griddingmodel熱邊界條件主要是指缸內(nèi)燃?xì)馀c機(jī)體缸套內(nèi)壁面之‘％2ijoasdf2iiJo口。d妒乏=臀介質(zhì)對(duì)氣缸壁面的瞬時(shí)平均換熱系數(shù)Ⅸ。，最后求解得到％=336W／(m2·K)，I=815K。套傳熱到機(jī)體壁面的熱量損失【

7、121，直接將該缸套燃?xì)鈧?cè)機(jī)體上頂面由于是石棉復(fù)合墊片，導(dǎo)熱系數(shù)很小，算的準(zhǔn)確性。其他換熱邊界條件見(jiàn)表2。表1氣缸內(nèi)壁面分段換熱邊界條件Table1Heattransferconditionofcylinder’sinnerwall肋衄口j(J)／I(j)／X／mm吒(，)／．I(。)7(W·(m2．K)。1)K(W·(m2·K)4)KO～5237．9791．9>55～65160．9604．3>5～15179．9670．1>65～80160．0598．5>15～25174．6653．6>80～95159