汽油機(jī)固液耦合傳熱數(shù)值模擬*

孫 平,于秀敏,董 偉,許思娜,何 玲

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

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2015061

汽油機(jī)固液耦合傳熱數(shù)值模擬*

孫 平,于秀敏,董 偉,許思娜,何 玲

(吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022)

為某汽油機(jī)建立其一維GT-POWER模型和三維FLUENT模型；將一維GT-POWER模型計(jì)算結(jié)果作為邊界條件，輸入FLUENT中完成發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的固液耦合傳熱模擬計(jì)算，并進(jìn)行其溫度場(chǎng)、水套的速度場(chǎng)和傳熱系數(shù)場(chǎng)等的分析。最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

汽油機(jī)；固液耦合；傳熱；數(shù)值模擬

前言

車輛散熱冷卻研究中，過熱零部件較好的分析方法是整體耦合計(jì)算，將固體和液體作為一個(gè)整體，讓兩者在計(jì)算中互為邊界進(jìn)行迭代運(yùn)算，從而得到各部分的溫度場(chǎng)分布，為固體的強(qiáng)度運(yùn)算和液體沸騰傳熱計(jì)算提供更準(zhǔn)確的邊界條件。

整體耦合傳熱分析發(fā)動(dòng)機(jī)的基本方法是將進(jìn)排氣道、氣缸內(nèi)的燃?xì)夂驼麄€(gè)機(jī)體(缸體、缸蓋和缸墊)作為一個(gè)整體進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)傳熱計(jì)算。文獻(xiàn)[1]中對(duì)氣缸蓋采用耦合傳熱計(jì)算其溫度場(chǎng)分布，并對(duì)汽油機(jī)的爆燃現(xiàn)象進(jìn)行了研究分析。文獻(xiàn)[2]～文獻(xiàn)[4]中也做了耦合的相關(guān)研究。文獻(xiàn)[5]中研究了SI(火花點(diǎn)火)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)固液耦合傳熱，重點(diǎn)模擬了一臺(tái)5.4L的V8發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷工況下某一缸受熱點(diǎn)的預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[6]中利用耦合傳熱模型研究了活塞表面的傳熱和溫度分布，得到了理想的期望結(jié)果。文獻(xiàn)[7]中對(duì)高性能的SI發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋燃燒室頂部進(jìn)行了固液耦合傳熱不同CFD方法分析的對(duì)比。

文獻(xiàn)[8]中對(duì)WD165柴油機(jī)其中一缸的機(jī)體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的耦合傳熱研究，得到缸套和水套的溫度分布云圖及冷卻水的壓力、速度和傳熱系數(shù)的分布云圖。文獻(xiàn)[9]中重點(diǎn)研究了四缸柴油機(jī)缸體固液部分的熱負(fù)荷及強(qiáng)度分析。文獻(xiàn)[10]中利用ANSYS-FLOTRAN對(duì)某型柴油機(jī)缸蓋做了耦合分析。文獻(xiàn)[11]中研究了6110柴油機(jī)中的耦合傳熱，視發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸套、缸墊、缸蓋、水套、缸內(nèi)燃?xì)鉃橐粋€(gè)耦合體系，模擬其傳熱狀況。文獻(xiàn)[12]中也利用一維軟件GT-POWER仿真得到缸內(nèi)工作過程燃?xì)獾臏囟取鳠嵯禂?shù)和缸套側(cè)、進(jìn)排氣側(cè)的溫度，并在此基礎(chǔ)上對(duì)冷卻水套局部的沸騰傳熱進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[13]中建立了某款柴油機(jī)的模型，將機(jī)體及其冷卻水套視為整體進(jìn)行了耦合傳熱分析。這些研究存在的欠缺是在三維模型網(wǎng)格劃分時(shí)，固液耦合面分為獨(dú)立的兩部分然后組裝在一起，或者在考慮三維流動(dòng)邊界條件時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)模型不是從空濾到三效催化轉(zhuǎn)換器的整體模型。

本文中以某汽油機(jī)為研究對(duì)象，建立其進(jìn)排氣系統(tǒng)、氣缸、曲軸箱、燃油噴射系統(tǒng)和附件如空氣濾清器、三效催化器等模塊的一維GT-POWER模型，以及缸體、缸蓋、整體水套、上水孔水套、水泵的FLUENT三維模型。將一維模型仿真輸出的燃?xì)鈧鳠釛l件處理后輸入到FLUENT中進(jìn)行計(jì)算，對(duì)其溫度場(chǎng)、水套速度場(chǎng)和傳熱系數(shù)場(chǎng)等進(jìn)行模擬分析研究。

1 一維GT-POWER模型的搭建

一維GT-POWER建模主要是解決CFD三維計(jì)算流動(dòng)邊界條件的問題。CF465Q4發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)見表1。

表1 CF465Q4主要技術(shù)參數(shù)

1.1 CF465Q4的工作模型和參數(shù)設(shè)定

根據(jù)CF465Q4的總體結(jié)構(gòu)布置，利用GT-POWER建立了從進(jìn)氣系統(tǒng)一直到排氣系統(tǒng)的一維管路系統(tǒng)工作過程模型，如圖1所示。這里主要介紹重要部分的建模。

1.1.1 進(jìn)排氣系統(tǒng)

利用Discretizer模塊可用轉(zhuǎn)化好的三維STL格式進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，最終轉(zhuǎn)化成一維管路系統(tǒng)的模式。模型圖基本都是由管路和管接頭組成。

1.1.2 進(jìn)排氣道與進(jìn)排氣閥門

氣道噴射的汽油機(jī)，其氣道的形狀、尺寸等因素對(duì)燃料的混合程度影響較大，在GT-POWER中采用流量系數(shù)綜合評(píng)價(jià)其影響因素。通過Flow-coefficients模塊設(shè)置氣門直徑和進(jìn)氣的質(zhì)量流量、溫度、壓差等求得流量系數(shù)。

1.1.3 氣缸

氣流在諸多部位的節(jié)流作用下，最終進(jìn)入氣缸內(nèi)形成渦流、滾流等流動(dòng)。在GT的計(jì)算中，利用KINETIC方程和紊流耗散率方程。在計(jì)算第1個(gè)循環(huán)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)第1缸的渦流滾流是從進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)刻開始的。在第1個(gè)循環(huán)過后，利用計(jì)算的渦流與滾流系數(shù)作為后續(xù)計(jì)算的已知條件，代入下一個(gè)循環(huán)中進(jìn)行渦流與滾流的計(jì)算。

本文中采用“EngCylCombSIWiebe”燃燒模式。在模塊中考慮了氣缸幾何尺寸、燃燒持續(xù)期、燃燒過半對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角、燃料成分等各種因素對(duì)放熱率的影響。

建模中除上述系統(tǒng)外還包括燃油噴射系統(tǒng)、曲軸箱和附件的設(shè)置等。

1.2 一維模型的驗(yàn)證

在全負(fù)荷工況下運(yùn)行40個(gè)循環(huán)，得到如圖2和圖3所示的外特性模擬結(jié)果。

兩組數(shù)據(jù)相比較，一維整機(jī)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合程度比較高，但是由于進(jìn)氣系統(tǒng)的流量系數(shù)的值是在氣道穩(wěn)壓差下測(cè)得，與實(shí)際情況有偏差。但整體誤差都在5%以內(nèi)。

2 固液耦合計(jì)算

研究對(duì)象是該款汽油機(jī)的缸體、缸蓋、整體水套、上水孔水套和水泵的模型。水泵的額定流量為96L/min。

2.1 研究對(duì)象三維模型及其簡(jiǎn)化

汽油機(jī)模型通過PRO/E建立，如圖4和圖5所示。對(duì)于一些不影響流場(chǎng)的復(fù)雜腔道做最細(xì)致的改善，且保證其改善結(jié)果不影響發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的溫度計(jì)算。對(duì)復(fù)雜的冷卻水套內(nèi)部腔道沒有簡(jiǎn)化，只是將缸蓋鼻梁區(qū)域的典型部位進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。對(duì)于缸體的外表面的螺栓孔和機(jī)體內(nèi)部的定位螺栓及影響網(wǎng)格劃分的部分都做了相應(yīng)的處理。

2.2 三維模型的網(wǎng)格劃分

本文中將在一個(gè)軟件中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的劃分和導(dǎo)出。首先將整體的發(fā)動(dòng)機(jī)三維PRO/E模型轉(zhuǎn)化成IGES格式導(dǎo)入到ANSA軟件，將水套腔道分離出來，進(jìn)行定義與交界面處面網(wǎng)格的劃分。以交界面處的面網(wǎng)格為基準(zhǔn)，分別對(duì)固體和液體區(qū)域方向進(jìn)行不同體的定義。這樣就在一個(gè)整體中分離出了所需求的不同材料的體單元。最后將分離出的體單元進(jìn)行單獨(dú)的體網(wǎng)格的劃分。

整體的網(wǎng)格全部采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，各個(gè)部件的網(wǎng)格如圖6～圖8所示。其中缸體網(wǎng)格數(shù)為108萬，缸蓋網(wǎng)格數(shù)為77萬，整體的水套網(wǎng)格數(shù)為134萬。

2.3 計(jì)算的控制方程和計(jì)算采用的模型設(shè)置

三維固液溫度場(chǎng)計(jì)算就是對(duì)下列方程[12]進(jìn)行求解，對(duì)象為不可壓縮的流體和固體。

(1)

(2)

能量守恒方程：

(3)

k-ε湍流模型方程：

(4)

(5)

在模擬水泵時(shí)，采用FLUENT軟件中的MRF(moving reference frame)模型模擬水泵的葉輪部分。

2.4 計(jì)算模型材料物性的設(shè)置

缸蓋材料是AlSiCu3鑄鋁合金，缸體材料是HT250灰鑄鐵，冷卻液為水與乙二醇按1∶1配置，其物性參數(shù)均見表2。在計(jì)算中假設(shè)材料的物性參數(shù)為定值。

表2 計(jì)算模型中材料的物性參數(shù)

2.5 計(jì)算模型邊界條件的設(shè)置

在固液耦合計(jì)算中，F(xiàn)LUENT軟件中大部分采用的是壁面第三類邊界條件，即相應(yīng)部位的溫度和傳熱系數(shù)。

2.5.1 燃?xì)獾膫鳠徇吔鐥l件

采用應(yīng)用廣泛的Woschni改進(jìn)公式計(jì)算。計(jì)算工況選用發(fā)動(dòng)機(jī)的額定工況(轉(zhuǎn)速為5 300r/min),即最大功率工況。采用一維GT模型計(jì)算的氣缸內(nèi)燃?xì)鉁囟群腿細(xì)獾膫鳠嵯禂?shù)作為三維計(jì)算的邊界條件，如圖9所示。這種變化的邊界條件可以通過FLUENT軟件的用戶自定義函數(shù)(user defined function, UDF)功能實(shí)現(xiàn)。

2.5.2 進(jìn)排氣道的傳熱邊界條件

模型所計(jì)算的是發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，其溫度和傳熱系數(shù)也由一維模型提供，如圖10～圖11所示。

2.5.3 缸蓋、缸體和曲軸箱的傳熱邊界設(shè)置

缸體、缸蓋和曲軸箱的外邊界設(shè)置根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式得到。

ha=0.32Re0.675Pr0.4(ka/le)

(6)

式中：ha為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Pr和Re分別為周圍流動(dòng)空氣的普朗特?cái)?shù)和雷諾數(shù)；ka為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；le為發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)外圍特征尺寸，m。

各個(gè)部分的溫度值將按照臺(tái)架試驗(yàn)中的實(shí)際情況來設(shè)置。

2.5.4 冷卻水套出入口邊界的設(shè)置

將水套的入口設(shè)置為mass-flow-inlet，流量為96L/min，另將出口設(shè)置為outflow自由出口。溫度按實(shí)際情況設(shè)置。

2.5.5 固液耦合面的設(shè)置

在計(jì)算過程中，固體給流體提供計(jì)算邊界，流體也給固體換熱提供計(jì)算條件。這部分邊界不能預(yù)先已知，須在計(jì)算中采用一種整體離散與整體求解的方法，以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。在FLUENT軟件中，固液耦合面在導(dǎo)入模型后會(huì)自動(dòng)生成一種面與面shadow的匹配。

固液交界面的傳熱公式如下：

TW|1=TW|2

(7)

qW|1=qW|2

(8)

(9)

式中：1和2分別表示固體和液體的區(qū)域。

2.5.6 其它部件的邊界設(shè)置

在計(jì)算中忽略了墊圈，設(shè)置其接觸面為絕熱。機(jī)油冷卻器和潤(rùn)滑油道對(duì)缸體傳熱的影響也按照壁面第三類邊界條件處理，由于不是主要內(nèi)容，這里只給出方法說明。對(duì)傳熱影響比較小的定位孔和螺栓孔都設(shè)置成第一類邊界條件，絕熱類型。

2.6 計(jì)算結(jié)果分析

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻液的流動(dòng)方向如圖12所示。冷卻液從水套的入水口A進(jìn)入機(jī)體后經(jīng)水泵進(jìn)入到排氣側(cè)水套腔道，最后從進(jìn)氣側(cè)的B處流出，再通過缸墊上的上水孔進(jìn)入到缸蓋冷卻液流動(dòng)腔道內(nèi)，帶走發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋零部件的多余熱量。

2.6.1 缸體和缸蓋冷卻水套的速度分布

冷卻液的速度如圖13所示。據(jù)CFD計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)，在熱負(fù)荷高的區(qū)域冷卻液速度達(dá)到0.5m/s即可。由圖可見：整體上速度分布較不均勻；A區(qū)的流速較高，排氣側(cè)的流速明顯大于進(jìn)氣側(cè)；在C區(qū)出現(xiàn)了回流與流動(dòng)死區(qū)，是由于水泵位置偏低或此處上下部速度差較大。整個(gè)流動(dòng)過程中流阻比較大導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)復(fù)雜的流速分布區(qū)域，是進(jìn)氣側(cè)流速低的原因。

上水孔的速度分布如圖14所示。由圖可見：平均流速在1～2m/s，基本滿足冷卻要求；其中進(jìn)氣側(cè)分布有1～9號(hào)水孔，10～22號(hào)分布在排氣側(cè)；2和3號(hào)上水孔流速偏高達(dá)到3.75～4m/s，21、22號(hào)上水孔流速偏低為0.25～0.5m/s，分布不是很均勻。這是由于2、3孔正好對(duì)著進(jìn)氣側(cè)的出口處，且正好對(duì)著上部缸蓋的出水孔，而有5%的流量沒有經(jīng)水泵而直接通過上水孔從水套的出口流出，沒有起到冷卻的作用。21、22號(hào)水孔處于冷卻水路的末端，由于流動(dòng)中的壓力損失和缸蓋的分流作用，最后到達(dá)末端的流量也就越來越少，體現(xiàn)在末端上水孔位置的流速相應(yīng)地降低。

圖15為缸蓋上的水套底端面的速度分布云圖。由圖可見：分布不是很均勻，熱負(fù)荷最高的進(jìn)排氣門座與火花塞之間的鼻梁區(qū)域的平均流速在0.6m/s，此區(qū)域?qū)Ω咨w是個(gè)嚴(yán)重的考驗(yàn)，應(yīng)該在此部位重點(diǎn)考慮結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

圖16為缸體水套水泵速度分布。由圖可見：水泵內(nèi)部的流場(chǎng)分布很均勻；由于水泵出口的流動(dòng)速度很高，導(dǎo)致進(jìn)入機(jī)體的水流不很穩(wěn)定，水套的下部區(qū)域比上部區(qū)域的流速高，這也是導(dǎo)致圖示A處出現(xiàn)回流與漩渦的主要原因。

2.6.2 缸體和缸蓋冷卻水套傳熱系數(shù)分布

圖17為缸體和缸蓋的傳熱系數(shù)分布云圖。據(jù)經(jīng)驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷較高區(qū)域，其傳熱系數(shù)達(dá)到5kW/(m2·K)以上即可滿足冷卻要求。由圖可見：在2、3缸的進(jìn)氣側(cè)傳熱系數(shù)偏低，為3kW/(m2·K)左右，須改進(jìn)結(jié)構(gòu)來調(diào)整冷卻；此外缸蓋的大部分區(qū)域的傳熱系數(shù)都在5kW/(m2·K)以上，基本上都滿足冷卻要求。

2.6.3 缸體內(nèi)壁的溫度場(chǎng)

圖18為缸體內(nèi)壁的溫度場(chǎng)云圖。由圖可見：缸套內(nèi)壁的溫度分布基本很均勻，最高溫度位于2、3兩缸相接連接處的薄壁之處，達(dá)到429.4K，這是由于此處承受著來自兩缸共同的熱負(fù)荷，且3缸位于冷卻液的末端位置；在缸內(nèi)壁面的下部溫度較高，達(dá)410K左右，這是由于缸體的高度有112mm，而水套只有85mm，缸體下部區(qū)域并未被冷卻液包圍冷卻，故缸壁的偏下部區(qū)域呈現(xiàn)的溫度比較高。

圖19為燃燒室頂部的火力面的溫度場(chǎng)的分布云圖。由圖可見：最高溫度均出現(xiàn)在排氣門與火花塞之間的鼻梁區(qū)域，其中3缸的鼻梁區(qū)域的溫度最高，達(dá)到452.5K，在缸蓋零部件的設(shè)計(jì)溫度范圍內(nèi)，基本符合要求。

2.7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，在汽油機(jī)溫度測(cè)量中只將缸蓋熱負(fù)荷比較高的關(guān)鍵部位進(jìn)行了測(cè)量，即排氣門與火花塞間的鼻梁區(qū)域，測(cè)點(diǎn)都分布在4個(gè)缸的這些鼻梁區(qū)域內(nèi)，如圖20所示。

圖21為各個(gè)氣缸燃燒室頂部鼻梁區(qū)域在節(jié)氣門全開、不同轉(zhuǎn)速下的溫度值。由圖可見：總體趨勢(shì)是隨著轉(zhuǎn)速的提高，溫度都有升高；在整個(gè)溫度分布中，3缸溫度最高，最大功率時(shí)達(dá)到176.2℃；其次是4缸的溫度，為170.1℃；1缸的溫度達(dá)到169.8℃；2缸的溫度為164.6℃。其分布規(guī)律與冷卻液的冷卻情況有著很大的關(guān)系。圖22和圖23分別為最大轉(zhuǎn)矩工況(4 300r/min)和最大功率工況(5 300r/min)

下缸蓋的最高溫度區(qū)域?qū)嶒?yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比，誤差在5%以內(nèi)。

3 結(jié)論

整體耦合傳熱分析能在車輛散熱冷卻研究中為固體的強(qiáng)度計(jì)算和液體的沸騰傳熱計(jì)算提供更精確的邊界條件。以固液分界面為基準(zhǔn)一次性完成發(fā)動(dòng)機(jī)部件的網(wǎng)格劃分，將從空氣濾清器到三效催化轉(zhuǎn)化器的GT-POWER一維模型計(jì)算結(jié)果作為邊界條件完成發(fā)動(dòng)機(jī)外特性的固液耦合傳熱計(jì)算。

在2缸的進(jìn)氣側(cè)有出水口和上水孔，從此處進(jìn)入水套的一部分冷卻液會(huì)順著這個(gè)上水孔直接從缸蓋流出，此處的流速比較大，冷卻效果好，溫度也相對(duì)最低。水泵出口設(shè)置在1缸靠近排氣側(cè)的位置，雖然出口的流速很高，但這里存在有流動(dòng)死區(qū)和漩渦，此處的上水孔位置的流速不是很高，缸蓋處的冷卻效果較差，所以此處的溫度比2缸高一些。在冷卻液的流經(jīng)途徑中，隨著其吸收的熱量越來越多和壓力損失越來越大，體現(xiàn)的溫度也越來越高，到3缸的鼻梁區(qū)位置達(dá)最高值。4缸缸蓋進(jìn)氣側(cè)因設(shè)置有出水口，流速比較大，對(duì)缸蓋能夠起到一定的冷卻作用，故此處鼻梁區(qū)域的溫度較3缸低一些。

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Numerical Simulation on Solid/Fluid Coupling Heat Transfer for a Gasoline Engine

Sun Ping, Yu Xiumin, Dong Wei, Xu Sina & He Ling

JiLinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022

A 1D GT-POWER model and a 3D FLUENT model for a gasoline engine are built. The calculation results with 1D GT-POWER model are taken as the boundary conditions for the 3D FLUENT model to complete the simulation of solid/fluid coupling heat transfer with the temperature field, the flow velocity field of water jacket coolant and the heat transfer coefficient field of the engine analyzed. The results are verified by experiments in the end.

gasoline engine; solid-fluid coupling; heat transfer; numerical simulation

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51276079)、博士點(diǎn)基金(20110061110032)和吉林大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(450060491512)資助。

原稿收到日期為2013年6月20日，修改稿收到日期為2013年9月27日。