基于流固耦合的柴油機(jī)缸體/缸套溫度場(chǎng)分析

劉建敏， 董　意， 王普凱， 劉艷斌， 韓立軍

(1. 裝甲兵工程學(xué)院訓(xùn)練部， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072)

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基于流固耦合的柴油機(jī)缸體/缸套溫度場(chǎng)分析

劉建敏1， 董意2， 王普凱2， 劉艷斌2， 韓立軍2

(1. 裝甲兵工程學(xué)院訓(xùn)練部， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072)

摘要：為研究某型柴油機(jī)缸體/缸套的溫度場(chǎng)分布情況，建立了其三維幾何模型和柴油機(jī)的工作過程模型，求解了缸內(nèi)高溫燃?xì)獾臏囟群蛽Q熱系數(shù)，缸體/缸套與周圍固體部件及環(huán)境空氣的熱傳導(dǎo)等外部邊界條件，采用流固耦合方法分析了冷卻液流動(dòng)換熱規(guī)律，并計(jì)算了缸體/缸套的溫度場(chǎng)分布。結(jié)果表明：冷卻液在水套內(nèi)的流動(dòng)換熱狀態(tài)較好，且固體部件溫度狀況較為理想。最后，結(jié)合冷卻液進(jìn)口布置、耦合方法的選取等問題提出了優(yōu)化改進(jìn)意見及下一步的研究方向。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)； 缸套； 缸體； 溫度場(chǎng)； 流固耦合

作為將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的動(dòng)力裝置，柴油機(jī)較高的內(nèi)部溫度一直是制約其發(fā)展的主要因素。柴油機(jī)內(nèi)溫度較高的區(qū)域主要位于燃燒室周圍與高溫燃?xì)饨佑|的部位，包括缸套、活塞和缸蓋等部件。缸套內(nèi)壁面直接與高溫燃?xì)饨佑|，外壁面受冷卻液直接冷卻，工作環(huán)境及沿軸線從上到下溫度梯度變化較大，會(huì)縮短缸套壽命及柴油機(jī)的中修間隔。缸體不僅對(duì)缸套、缸蓋起支撐固定作用，且與缸套一起構(gòu)成了冷卻液的流動(dòng)水套，其溫度狀況及工作狀態(tài)與缸套、冷卻液流動(dòng)換熱等關(guān)系密切。因此，研究缸體/缸套的溫度場(chǎng)分布對(duì)保證柴油機(jī)可靠、高效和穩(wěn)定工作意義重大。

劉鵬飛[1]利用經(jīng)驗(yàn)公式分析了某大功率特種柴油機(jī)缸套的溫度場(chǎng)分布規(guī)律，但其計(jì)算邊界條件的設(shè)置過于簡(jiǎn)單，沒有考慮燃?xì)?、活塞和冷卻液等因素對(duì)缸套溫度場(chǎng)的影響；張萬平等[2]應(yīng)用耦合的方法分析了某D6114柴油機(jī)的冷卻液流動(dòng)和固體部件溫度場(chǎng)分布情況，明確了冷卻液流速與換熱狀況、固體部件溫度的關(guān)系；胡在雙[3]應(yīng)用流固耦合的方法研究了某摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水道和缸體、缸壁等部件的工作狀態(tài)，并以此為依據(jù)對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)水套進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，但摩托車的發(fā)動(dòng)機(jī)功率較小，結(jié)果不具有通用性；張輝平等[4]應(yīng)用流固耦合的方法分析了某發(fā)動(dòng)機(jī)缸體與冷卻水套的共軛傳熱狀況，結(jié)果表明冷卻液流速分布較為不均勻且缸體存在局部過熱的情況，并有針對(duì)性地提出了優(yōu)化改進(jìn)意見。上述研究表明：缸體/缸套溫度場(chǎng)的研究必須與冷卻液流動(dòng)換熱及缸內(nèi)燃燒放熱狀況進(jìn)行耦合分析；同時(shí)，由于柴油機(jī)功率、布置形式和冷卻水道形狀的不同，針對(duì)不同型號(hào)的柴油機(jī)進(jìn)行單獨(dú)分析才能得到準(zhǔn)確且有指導(dǎo)意義的結(jié)果。

基于上述分析，筆者提出應(yīng)用流固耦合的方法計(jì)算分析某柴油機(jī)缸體/缸套的溫度場(chǎng)分布狀況，以期為柴油機(jī)可靠高效的工作、優(yōu)化改進(jìn)及設(shè)計(jì)制造提供理論依據(jù)。

1模型建立

首先建立柴油機(jī)的工作過程模型，該柴油機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能指標(biāo)如表1所示。

為節(jié)約計(jì)算時(shí)間、降低計(jì)算成本，結(jié)合柴油機(jī)對(duì)稱的布置形式，應(yīng)用Gt-Power軟件建立了該柴油機(jī)一側(cè)氣缸排的工作過程模型，如圖1所示。該模型主要用于分析柴油機(jī)缸內(nèi)氣體的溫度和換熱系數(shù)的變化規(guī)律，為缸體/缸套溫度場(chǎng)的計(jì)算提供邊界條件。圖2為應(yīng)用Pro-e軟件建立的柴油機(jī)缸體和缸套的三維幾何模型，考慮到后續(xù)網(wǎng)格劃分及計(jì)算容量的限制等問題，在建模過程中忽略了直徑小于3 mm的導(dǎo)角，并選取缸體的左半側(cè)和第1-3缸的缸套進(jìn)行溫度場(chǎng)的計(jì)算。圖3為將缸體和缸套幾何模型導(dǎo)入ANSYS的Designmodeler模塊中抽取出的冷卻液流動(dòng)水道三維幾何模型，其中：冷卻液從兩側(cè)下方的入口進(jìn)入柴油機(jī)，經(jīng)頂部的24個(gè)出口流入氣缸蓋。

圖1柴油機(jī)一側(cè)氣缸排的工作過程模型

圖2柴油機(jī)缸體和缸套的三維幾何模型

圖3抽取出的冷卻液流動(dòng)水道三維幾何模型

2邊界條件及求解設(shè)置

2.1缸內(nèi)燃?xì)?/p>

應(yīng)用GT-Power軟件計(jì)算額定工況下缸內(nèi)瞬時(shí)平均溫度T和換熱系數(shù)h隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線，如圖4所示。

圖4缸內(nèi)瞬時(shí)平均溫度T和換熱系數(shù)h隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的曲線

缸內(nèi)的燃?xì)馄骄鶞囟萒m和平均換熱系數(shù)hm的計(jì)算公式[5]分別為

(1)

(2)

根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)及式(1)、(2)可得出Tm和hm的值?；钊芷谛缘耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)給燃?xì)鈧鳠釒硪欢ㄓ绊?，缸套?nèi)壁面軸向的換熱邊界條件[6]為

(3)

式中：l為計(jì)算點(diǎn)到缸套頂面的距離；Tz(l)為距缸套頂面處的燃?xì)馄骄鶞囟?；hz(l)為距缸套頂面處的燃?xì)馄骄鶕Q熱系數(shù)；s為活塞下止點(diǎn)處到缸套頂面的距離；d為氣缸直徑。

2.2冷卻液流固耦合換熱

由于柴油機(jī)每一側(cè)氣缸排的冷卻水道關(guān)于其中心面對(duì)稱，因此只需取左側(cè)氣缸排冷卻液流動(dòng)模型的左半側(cè)進(jìn)行計(jì)算。圖5為冷卻液流動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖，其中：應(yīng)用ANSYS WORKBENCH中的MESHING模塊劃分網(wǎng)格，采用Sweep方法對(duì)圓柱形部位劃分網(wǎng)格，其余部位采用Patch Conforming方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在除進(jìn)、出口外的所有換熱區(qū)域添加邊界層。由圖5可知：所畫網(wǎng)格沒有出現(xiàn)負(fù)體積，Minimum Orthogonal Quality值為0.351 25，說明網(wǎng)格劃分的質(zhì)量較好。網(wǎng)格劃分完成后，共得到1 014 964個(gè)節(jié)點(diǎn)和2 829 723個(gè)網(wǎng)格。

圖5冷卻液流動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格劃分示意圖

將劃分完網(wǎng)格的模型導(dǎo)入FLUENT軟件中進(jìn)行模擬計(jì)算。采用穩(wěn)態(tài)、壓力基求解模式；標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型，以Enhanced Wall Treatment方法處理近壁面區(qū)域的換熱；流體區(qū)域物質(zhì)設(shè)置為水，其密度為998.2 kg/m3，比熱為4 182 J/(kg·K)，熱導(dǎo)率為0.6 W/(m·K)，黏度為1.003 g/(m·s)。

FLUENT軟件在流固耦合界面通過自動(dòng)生成的shadow面進(jìn)行匹配。其流固耦合界面的傳熱公式[7]為

(4)

式中：Tw為壁面溫度；Qw為壁面的熱流量；下標(biāo)1和2分別表示流體區(qū)域和固體區(qū)域。

設(shè)置出口邊界類型為“outflow”，結(jié)合試驗(yàn)值設(shè)置入口邊界類型為“velocity-inlet”，入口速度為 5 m/s,湍流強(qiáng)度為5%，水力直徑Di的計(jì)算公式[8]為

Di=4A/Pw，

(5)

式中：A為流體區(qū)域面積；Pw為濕周長(zhǎng)。

選用耦合算法：壓力的離散求解采用二階法；動(dòng)量和能量方程的離散采用二階迎風(fēng)格式；湍動(dòng)能和湍流耗散方程的離散采用一階迎風(fēng)格式。為保證計(jì)算收斂，設(shè)松弛因子為0.1，當(dāng)能量方程的迭代殘差小于10-6，且其他方程的迭代殘差小于10-4時(shí)，即可判定計(jì)算收斂。設(shè)置循環(huán)次數(shù)為500步，對(duì)冷卻液在水套內(nèi)的流動(dòng)換熱規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，為缸體/缸套的溫度場(chǎng)計(jì)算提供邊界條件。

2.3固體部件換熱

缸體/缸套與缸蓋、外界空氣的換熱采取第3類邊界條件，取環(huán)境溫度為315 K，換熱系數(shù)為30 W/(m2·K)[9]。計(jì)算過程中缸體/缸套的熱物性參數(shù)如表2所示。

應(yīng)用Patch Conforming方法對(duì)缸體劃分網(wǎng)格，應(yīng)用sweep方法對(duì)缸套劃分網(wǎng)格，最終二者共得到4 537 775個(gè)節(jié)點(diǎn)和3 073 783個(gè)單元，缸體和缸套具體網(wǎng)格劃分示意圖分別如圖6、7所示。

圖6缸體網(wǎng)格劃分示意圖

圖7缸套網(wǎng)格劃分示意圖

3計(jì)算結(jié)果分析

將缸內(nèi)燃?xì)獾臏囟群蛽Q熱系數(shù)，缸體、缸套與周邊固體部件和環(huán)境空氣的熱傳導(dǎo)規(guī)律施加到缸體、缸套的有限元模型上，而后利用該模型與冷卻液的流動(dòng)換熱模型進(jìn)行流固耦合計(jì)算，最終得到冷卻液流動(dòng)換熱規(guī)律以及缸體/缸套的溫度場(chǎng)分布規(guī)律。

圖8、9分別為冷卻液流動(dòng)速度示意圖和左視圖。可以看出：冷卻液流動(dòng)速度分布并不均勻，冷卻液在進(jìn)口附近流速較高，在第3缸附近區(qū)域的流速較低，但是所有區(qū)域的冷卻液流速均大于0.5 m/s,整體上滿足了柴油機(jī)缸體/缸套的冷卻換熱需求[2]。

圖8冷卻液流動(dòng)速度示意圖

圖9冷卻液流動(dòng)速度左視圖

由于第3缸附近的冷卻液流速較低，說明在氣缸中此處的流動(dòng)換熱情況相對(duì)較差，其溫度狀況也較不理想，因此筆者將對(duì)第3缸缸套的溫度場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行分析。

圖10為第3缸缸套的溫度場(chǎng)分布示意圖，可以看出：1)第3 缸缸套的最高溫度為603.51 K，最低溫度為326.82 K，溫度差為276.69 K，溫度的幅值和差值均在合理區(qū)間，說明冷卻液的流動(dòng)換熱能保證所有氣缸套均在正常狀態(tài)下工作；2)氣缸套的溫度分布整體上呈現(xiàn)出由上到下逐漸降低的趨勢(shì)，這是由于隨著活塞的運(yùn)動(dòng)，缸內(nèi)燃?xì)獾闹饕獋鳠釁^(qū)域位于缸套的上部；3)處于下曲軸箱部位的缸套溫度分布較為均勻且?guī)缀醪皇苌喜咳細(xì)獾挠绊?，這說明冷卻液的流動(dòng)換熱效果較為理想。

圖10第3缸缸套的溫度場(chǎng)分布示意圖

圖11為左半側(cè)缸體溫度場(chǎng)分布示意圖?？梢钥闯觯?)缸體的最高、最低溫度與缸套相同，這是由于二者的溫度場(chǎng)是通過耦合計(jì)算得到，且最高、最低溫度均出現(xiàn)在耦合界面上；2)缸體的溫度分布呈現(xiàn)由上到下逐漸降低的趨勢(shì)，這與缸套溫度場(chǎng)的分布規(guī)律大致相同；3)冷卻液流速由第1缸到第3缸逐漸降低，換熱能力逐漸減弱，所以沿這個(gè)方向的溫度分布呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。

圖11左半側(cè)缸體溫度場(chǎng)分布示意圖

4結(jié)論

應(yīng)用流固耦合的方法分析了某柴油機(jī)內(nèi)冷卻液流動(dòng)換熱及缸體/缸套溫度場(chǎng)分布情況，得到如下結(jié)論：

1)應(yīng)用流固耦合方法可方便、準(zhǔn)確和快速地求解冷卻液流動(dòng)換熱及固體部件的溫度場(chǎng)分布情況，但對(duì)計(jì)算機(jī)硬件配置要求較高，在實(shí)際模擬仿真時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況選擇適當(dāng)?shù)那蠼夥椒ā?/p>

2)該柴油機(jī)冷卻水套布置形式較為合理，內(nèi)部冷卻液流速均大于0.5 m/s,能滿足冷卻換熱需要。但由于2個(gè)冷卻液進(jìn)口分別布置在缸體兩側(cè)，導(dǎo)致第3、4(中間的2個(gè))氣缸附近冷卻液流速明顯偏低。在下一步設(shè)計(jì)改進(jìn)時(shí)建議在缸體中部設(shè)置進(jìn)水口，以解決柴油機(jī)內(nèi)部冷卻液流速分布不均勻的狀況。

3)由于冷卻充分且工作環(huán)境相對(duì)缸蓋更加溫和，缸體/缸套的溫度場(chǎng)分布較為均勻，最大溫差為276.69 K，處于材料許可范圍內(nèi)。下一步，應(yīng)在本文計(jì)算的基礎(chǔ)上結(jié)合缸體/缸套所受到的機(jī)械力進(jìn)行熱-機(jī)械應(yīng)力的耦合分析。

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(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

Analysis of Temperature Field of Cylinder Body and Sleeve in Diesel Engine Based on the Fluid-solid Coupling Method

LIU Jian-min1, DONG Yi2, WANG Pu-kai2, LIU Yan-bin2, HAN Li-jun2

(1. Department of Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Key words:diesel engine; cylinder sleeve; cylinder body; temperature field; fluid-solid coupling

Abstract：To study the temperature field distribution of the cylinder body and sleeve in diesel engine, the three-dimensional geometrical model and the working process model are established. While the temperature and heat transfer coefficient of the gas, the heat transfer condition with the circumjacent body and cylinder cover are computed. The condition of the coolant flow and heat transfer is analyzed by the fluid-solid coupling method, and the temperature field distribution of the cylinder sleeve and the cylinder body is calculated. The result shows that both the heat transfer of the coolant and the temperature field of the solid component are good. At last, the proposal of optimization and future research direction are put forward combining with the inlet setting of the coolant and selection of coupling method.

文章編號(hào)：1672-1497(2016)03-0041-04

收稿日期：2016-03-28

基金項(xiàng)目：國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：劉建敏(1963-)，男，教授，博士。

中圖分類號(hào)：TK42

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.03.009