基于流固耦合的汽油機整機溫度場的仿真分析

胡鶴，劉麗華，張沛毅，馬冠欽，王瑞平,2

引言

隨著現(xiàn)代發(fā)動機性能不斷的提高，發(fā)動機所承受的溫度也在不斷增加，發(fā)動機的工作溫度是影響發(fā)動機安全可靠工作的重要因素之一。因此，在發(fā)動機設(shè)計階段精確分析發(fā)動機整機溫度場是必要的。

現(xiàn)有計算整機溫度場的方法通常是先假設(shè)壁面溫度計算水套，將水套的溫度和對流換熱系數(shù)映射給固體部分作為邊界進行計算，再將所得到的溫度場重新加載到水套上，最后再將新的溫度和對流換熱系數(shù)邊界映射到固體上進行計算。中間存在一個循環(huán)計算的過程，計算周期長，且在單獨計算水套流動時缺乏明顯的判別標(biāo)準(zhǔn)。本文中應(yīng)用STAR CCM+軟件將水套與整機進行耦合計算，減少了邊界的假設(shè)，縮短了計算周期，提高精度的同時為評價水套流動提供了明確的判斷依據(jù)。

1、計算模型和邊界條件

1.1 幾何模型

處理幾何模型時對螺栓孔，油道進行了簡化，零部件主要包括缸體、缸蓋、缸蓋墊、進排氣門、氣門導(dǎo)管及氣門座圈。

1.2 計算模型

計算域包括六個固體域（如圖 1）及一個流體域。固體域與流體域都采用Polyhedral網(wǎng)格進行計算，Polyhedral網(wǎng)格相較于Trimer網(wǎng)格能夠較好的保證固體域與流體域交界面網(wǎng)格節(jié)點的一致性，具有較好的曲面適應(yīng)性，網(wǎng)格數(shù)少，能夠有效提升計算效率。

假定固體域各自的物理性質(zhì)為常數(shù)，求解采用分離式求解器。材料屬性如表1所示。

表1 固體材料屬性

假定冷卻液為定常不可壓流體，采用分離式求解器，湍流模型采用K-epsilon模型。

1.3 邊界條件

1.3.1 固體域邊界條件

固體域主要對與高溫氣體接觸的邊界進行溫度和對流換熱系數(shù)的設(shè)定，由燃燒CFD計算提供。主要熱邊界包括：進排氣道、燃燒室、氣門、氣門座圈。

1.3.2 流體域邊界條件

流體域計算進口流量、出口壓力及流量等邊界條件均由一維計算得到。壁面溫度邊界由固體域計算得到，如圖4所示。

2、計算結(jié)果

2.1 流速分布

2.1.1 缸體流速分布

由圖5可以看出，缸間切槽的流速大于2m/s，滿足冷卻要求。3、4缸（氣缸由左至右依次定義為1、2、3、4缸）內(nèi)壁均存在較多的低流速區(qū)域，單單通過流動無法判斷其是否滿足冷卻要求。

2.1.2 缸蓋流速分布

由圖6可以看出，缸蓋排氣側(cè)鼻梁區(qū)流量分布不均勻，火花塞附近存在低流速區(qū)域。由鼻梁區(qū)的流速分布可以看出，近火力面附近流速較低，且存在回流，存在冷卻不足的風(fēng)險。

2.2 整機溫度場

2.2.1 缸體溫度分布

由缸體溫度場分布，最高溫度為198℃，位于3、4缸之間，試驗樣機缸間溫度測點的計算溫度與試驗值對比如表 2所示。

表2 缸體缸間溫度對比

最高溫度位于3、4缸之間，從流速分布可以看出，3、4缸雖存在低流速區(qū)域，但缸體冷卻滿足要求（低于缸體材料的極限溫度220℃）。

2.2.2 缸蓋溫度分布

缸蓋溫度場分布，最高溫度為225℃，位于第1缸排氣鼻梁區(qū)處，試驗樣機缸間溫度測點的計算溫度與試驗值對比如表3所示。

表3 缸蓋排氣側(cè)鼻梁區(qū)溫度對比

由流速分布可以看出，1缸鼻梁區(qū)的流量流速偏低，因此最高溫度出現(xiàn)在該處。由溫度場分布可以看出1缸缸蓋水套的冷卻滿足要求（缸蓋材料極限溫度250℃）。

3、結(jié)論

（1）本文應(yīng)用STAR CCM+軟件對四缸汽油機進行流固耦合計算，通過與試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了計算結(jié)果的可靠性。

（2）由計算結(jié)果可以看出，缸蓋的材料為鑄鋁，極限溫度要求為260℃，計算結(jié)果最高溫度為225℃，符合使用要求；缸體材料為鑄鐵，極限溫度要求為 220℃，計算結(jié)果最高溫度為198℃，符合使用要求。

通過缸體缸蓋流固耦合計算，能夠為水套的流動分析提供明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)，計算結(jié)果更加直觀。

[1] CD-Adapco Inc. STAR-CCM+ User’s Guide. 2008.

[2] 楊世銘.傳熱學(xué)(第二版).北京：高等教育出版社.1987: 26-31.

[3] 駱清國，劉紅彬，龔正波.柴油機缸體-缸套-缸蓋-冷卻水整體耦合傳熱仿真研究[J]. 車用發(fā)動機，2009，1:31-35.