基于兩相流沸騰傳熱模型的缸蓋溫度場辨析

楊靖等

摘要：為了更精確地研究發(fā)動機(jī)缸蓋溫度場的分布，在Eular多相流模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合Rohsenow核態(tài)沸騰傳熱模型，建立新的可用于內(nèi)燃機(jī)缸蓋水腔內(nèi)過冷沸騰數(shù)值模擬的兩相流模型.以某汽油機(jī)缸蓋為研究對象，分別采用BDL和Rohsenow兩種傳熱模型，利用CFD技術(shù)對其進(jìn)行流固耦合傳熱計(jì)算和分析.結(jié)果表明，采用Rohsenow沸騰傳熱模型能夠比BDL沸騰模型更精確地計(jì)算缸蓋溫度場；缸蓋的最高溫度192.22 ℃，最大應(yīng)力156 MPa，均滿足缸蓋材料的強(qiáng)度條件.

關(guān)鍵詞：缸蓋；溫度場；兩相流；沸騰傳熱

中圖分類號：TK412.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

An Analysis on Thermal Load of Cylinder Head Based

on Twophase Flow Boiling Heat Transfer

YANG Jing1，2 ， ZHANG Siyuan 1，2 ， LIU Kaimin 1，2， WANG Yi 1，2，

GUO Huali 1，2， SUN Cheng1，2，LI Ke1，2

（1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan Univ， Changsha， Hunan410082，China；

2. Research Center for Advanced Powertrain Technology， Hunan Univ，Changsha， Hunan410082，China）

Abstract：To study the temperature field distribution of engine cylinder head more precisely， based on the Euler multiphase model， a new twophase flow model combining the Rohsenow core boiling heat transfer model was established， which can be used for the numerical simulation of subcooled boiling. Applying BDL and Rohsenow transfer models separately， the cylinder head fluidsolid coupling heat transfer system was simulated and analyzed with the CFD technology. The results have shown that the Rohsenow core boiling heat transfer model is more precise than the BDL model in calculating the temperature field of engine cylinder head. The highest temperature of the cylinder head is 192.22 ℃， and the maximum of stress is 235 MPa， both of which can meet the strength requirements of cylinder head materials.

Key words：cylinder head； temperature field； twophase flow； boiling heat transfer

氣缸蓋是發(fā)動機(jī)最核心、最復(fù)雜的工作零件之一，缸蓋的燃燒室是發(fā)動機(jī)點(diǎn)火和燃燒的最重要場所.高溫氣體通過缸蓋下表面將大量熱量傳遞給缸蓋內(nèi)的冷卻水，缸蓋鼻梁區(qū)和氣門座圈等位置成為缸蓋上溫度最高、熱應(yīng)力最大的部位[1].由于發(fā)動機(jī)缸蓋惡劣的工作條件，其質(zhì)量和使用壽命在很大程度上受到冷卻系統(tǒng)的制約.研究表明，高壓縮比、高增壓、小排量技術(shù)將成為當(dāng)今世界發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向，發(fā)動機(jī)強(qiáng)化程度將會越來越高[2].發(fā)動機(jī)功率的提升必然會面臨高強(qiáng)度下的熱負(fù)荷問題.因此發(fā)動機(jī)缸蓋的高溫冷卻技術(shù)成為研究冷卻系統(tǒng)的重點(diǎn).

近年來，由于實(shí)驗(yàn)研究的昂貴成本和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，流固耦合傳熱仿真方法越來越普遍地被應(yīng)用于實(shí)際發(fā)動機(jī)的開發(fā)過程[3].常用的發(fā)動機(jī)冷卻水傳熱計(jì)算模型有Chen模型和BDL模型[4].BDL模型是從Chen模型改進(jìn)而來的，考慮了局部流動參數(shù)和飽和狀態(tài)對沸騰傳熱的影響，更加適用于局部流動傳熱計(jì)算[5].白曙[6]將Chen和BDL兩種模型進(jìn)行了計(jì)算和試驗(yàn)對比，表明后者的計(jì)算精度更高.董非等[7]將BDL模型進(jìn)行了修正，提高了過冷流動沸騰傳熱的精度，但屬于單相對流傳熱，沒有考慮

相變的影響.劉永等[8]利用編程也開發(fā)出一種沸騰傳熱模型，但亦屬于單相對流傳熱，并且計(jì)算過程比較復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn).

本文在Euler多相流模型的基礎(chǔ)上將Rohsenow核態(tài)沸騰換熱準(zhǔn)則方程應(yīng)用于沸騰換熱的兩相熱流傳遞，對比分析了兩相流沸騰傳熱與BDL單相沸騰傳熱的計(jì)算精度.然后以某高速四缸汽油機(jī)氣缸蓋為研究對象，以該沸騰傳熱模型為基礎(chǔ)，對其進(jìn)行了考慮沸騰傳熱的流固耦合計(jì)算，得到了缸蓋的溫度場和應(yīng)力場分布，并分析了兩相沸騰傳熱對缸蓋冷卻的影響和氣缸蓋鼻梁區(qū)的氣泡堵塞狀況.

1傳熱模型的數(shù)學(xué)描述

1.1兩相流基本方程

兩相流模型可分為均相模型和分相模型兩種.均相模型是把兩相介質(zhì)看做均勻介質(zhì)，介質(zhì)的參數(shù)取兩相平均參數(shù)，然后再根據(jù)單相均勻介質(zhì)建立兩相流基本方程；分相模型則是把兩相分成兩種單相流動，即氣相和液相，介質(zhì)的參數(shù)分別取各自的介質(zhì)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算.為了提高模擬的精度，本文采用分相模型來解釋兩相流的基本流動過程.