氣缸蓋三維 建模及其冷卻水道的CFD流場分析

1、四川理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）氣缸蓋三維建模及其冷卻水道的cfd流場分析學(xué) 生：王德理學(xué) 號：07011039121專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化班 級：車輛工程2007.2指導(dǎo)教師：陳 敏 四川理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二o一一年六月摘 要本文以單缸柴油機(jī)的氣缸蓋為研究對象，利用solidworks三維軟件建立氣缸蓋幾何模型。然后使用solidworks中的插件floworks對氣缸蓋的冷卻水道進(jìn)行流場分析。分析主要從從溫度場、壓力場和冷卻液的流速三個方面進(jìn)行。 由分析可知該單缸柴油機(jī)氣缸蓋冷卻水套的設(shè)計比較合理，并能達(dá)到設(shè)計要求的冷卻效果，但是也存在一些需要優(yōu)化的地方，需進(jìn)一步改進(jìn)，以達(dá)到最優(yōu)的冷

2、卻效果。 通過對內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋冷卻水道的三維cfd數(shù)值模擬，得到了大量的水道流場信息，為指導(dǎo)該單缸氣缸蓋冷卻水道的開發(fā)設(shè)計和改進(jìn)提供一定的理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：氣缸蓋；冷卻水道；溫度場；cfd數(shù)值模擬abstractbased on the single cylinder diesel engine cylinder head as the research object, using solidworks 3d software is built cylinder geometric model. then use floworks solidworks of plug-in for cylind

3、er head cooling channels for flow field analysis. analysis of the temperature field, mainly from pressure field and cooling fluid velocity of the three aspects. by analyzing the single cylinder diesel engines that the design of cylinder head cooling water is reasonable, and can meet the design requi

4、rement and the cooling effect, but there are also some need optimization of place, needs improvement, in order to achieve optimal cooling effect. through the internal combustion engine cylinder head cooling channel 3d cfd simulation, got a lot of waterway flow field information for guiding the singl

5、e cylinder head cooling channel development design and improve provide certain theoretical basis. keywords: cylinder head;cooling waterway;temperature field;cfd simulation目 錄摘 要iabstractii第一章 緒 論31.1本文研究的背景及意義31.1.1研究背景31.1.2研究意義31.2 solidworks產(chǎn)品概述4第二章 氣缸蓋三維建模52.1氣缸蓋三維模型的創(chuàng)建52.1.1創(chuàng)建氣缸蓋殼體52.1.2創(chuàng)建進(jìn)排氣道8

6、2.1.3創(chuàng)建燃燒室122.1.4氣缸蓋殼體、進(jìn)排氣道、燃燒室組合的創(chuàng)建142.1.5殼體底部的封閉142.1.6創(chuàng)建氣缸蓋倒角特征152.1.7創(chuàng)建氣缸蓋孔特征15第三章 氣缸蓋冷卻水道的cfd流場分析163.1打開solidworks模型163.2構(gòu)建cosmosfloworks項目163.3邊界條件的設(shè)置213.4定義求解目標(biāo)243.5求解計算253.6監(jiān)視求解過程263.7改變表模型的透明程度。273.8繪制截面圖273.9繪制等值截面圖323.10流動軌跡圖333.11壓力損失評價353.12流場分布評價36第四章 結(jié) 論39參考文獻(xiàn)40致 謝41附 錄42四川理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文

7、）第一章 緒 論1.1本文研究的背景及意義1.1.1研究背景發(fā)動機(jī)作為現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)中重要的機(jī)械動力之一，發(fā)動機(jī)的散熱一直是設(shè)計者關(guān)注的重點。發(fā)動機(jī)的受熱零部件主要有缸蓋、活塞、缸套，作為受熱主要部件，一方面要承受高溫高負(fù)荷，必須采取冷卻措施降低熱負(fù)荷；另一方面，對這些零部件的過度冷卻會造成發(fā)動機(jī)的熱效率下降，故而應(yīng)對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s。汽缸蓋作為發(fā)動機(jī)的主要受熱部件，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，主要由氣缸蓋體、進(jìn)排氣道、燃燒室等幾部分組成。密封氣缸頂部是氣缸蓋的主要作用，工作過程中，與高溫高壓燃?xì)庀嘟佑|，承受著高溫高負(fù)荷，如果一些地方冷卻不當(dāng)，就會造成局部過熱，導(dǎo)致缸蓋嚴(yán)重的變形，出現(xiàn)油、氣、水泄漏的情況。由于

8、氣缸蓋冷卻系統(tǒng)被完全封閉在機(jī)體內(nèi)，改善柴油機(jī)性冷卻介質(zhì)流動機(jī)理也十分復(fù)雜，使得對氣缸蓋的傳熱實驗研和冷卻液三維流動研究非常困難，伴隨著計算機(jī)流體力學(xué) (cfd)的發(fā)展，為冷卻系統(tǒng)的傳熱研究和三維模擬仿真奠定了堅實的基礎(chǔ)。1.1.2研究意義氣缸蓋冷卻水道的好壞影響著發(fā)動機(jī)能否正常工作, 影響發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。由于冷卻水道的結(jié)構(gòu)和性能是影響發(fā)動機(jī)工作過程的重要因素，因此冷卻水道的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析成為發(fā)動機(jī)開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。而冷卻水道的傳統(tǒng)設(shè)計方法是在實驗臺上進(jìn)行反復(fù)的實驗和對比來獲得滿足設(shè)計要求的參數(shù)，成本高、周期長、見效慢，利用cfd技術(shù)進(jìn)行冷卻水道的流場cfd分析，實現(xiàn)可視化顯示,

9、從而讓設(shè)計者直觀的判斷所求流場形態(tài)是否能夠滿足設(shè)計要求。本文基于solidworks三維cfd 軟件對某柴油機(jī)的冷卻水道進(jìn)行流場，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理之處，初步修改之后其冷卻性能有明顯改善。冷卻水道道設(shè)計不合理, 流動阻力過大,關(guān)鍵區(qū)域流速緩慢, 流動不暢, 壓力損失大，就會造成發(fā)動機(jī)性能下降，功率損失增大。在某柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中,對冷卻水道的傳統(tǒng)改進(jìn)方法是在試驗臺上進(jìn)行反復(fù)對比試驗,消的耗了大量人力、物力。而通過cfd模擬計算對冷卻水道進(jìn)行可視化研究,可以得到冷卻水道流場的大量微觀信息, 從而建立冷卻水道的形狀與冷卻特性的關(guān)系,直觀地顯示出氣缸蓋結(jié)構(gòu)的不合理之處, 找到冷卻水道中設(shè)計不

10、合理的結(jié)構(gòu), 使冷卻水道的改進(jìn)更有針對性,冷卻效果更加合理，同時壓力損失減少, 使發(fā)動機(jī)工作性能有了進(jìn)一步提升。尋求適當(dāng)?shù)睦鋮s水量及合理的流場分布一直是發(fā)動機(jī)缸蓋冷卻水道設(shè)計中的重要一環(huán)，有著十分重要的意義。本文通過發(fā)動機(jī)缸蓋冷卻水道的的流場cfd分析， 可以得到冷卻水道的流場特性，包括速度場、溫度場、壓力場，由速度場可以看到流速的分布以及死區(qū)，由溫度場檢查局部高溫的位置，由壓力場可以找到進(jìn)出口的壓差損失。綜合這些方面的信息對氣缸蓋冷卻水道的設(shè)計優(yōu)裂進(jìn)行評價，為冷卻水道的的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)，意義重大。1.2 solidworks產(chǎn)品概述solidworks軟件組件繁多、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是so

11、lidworks 的三大特特征，使solidworks 成為主流、領(lǐng)先的三維cad應(yīng)用軟件。solidworks 能夠提供多種的的設(shè)計方法、降低設(shè)計過程中的失誤同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。solidworks 對設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。 cosmosfloworks作為solidworks的一個組件，cosmosfloworks是一款solidworks開發(fā)的簡單易用的流體分析軟件。cosmosfloworks是一個強(qiáng)大的流體模擬工具，通過許多新功能提供基本的流體分析功能及高級后處理功能該軟件讓用戶直觀的了解零部件內(nèi)部的流體流場分布。實現(xiàn)solidworks的設(shè)計質(zhì)量的優(yōu)化，進(jìn)行零件模型虛擬

12、仿真節(jié)省資源，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期，降低成本。作為一款與solidworks完全內(nèi)嵌的流體模擬產(chǎn)品。當(dāng)您進(jìn)行流體分析時，需要考慮模型內(nèi)部的空腔的空間。傳統(tǒng)方法需要利用空腔命令產(chǎn)生代表空腔的負(fù)幾何體。而在cosmosfloworks中不需要這樣。cosmosfloworks自動將solidworks裝配體中的空腔設(shè)定為流體區(qū)域并自動區(qū)別流體和其他的各種實體區(qū)域。在完solidworks模型后，只需點擊cosmosfloworks按鈕，就能夠直接進(jìn)行流體的流場分析。第二章 氣缸蓋三維建模2.1氣缸蓋三維模型的創(chuàng)建氣缸蓋主要有三部分組成：氣缸蓋殼體、進(jìn)排氣道和燃燒室。所以，氣缸蓋的創(chuàng)建思路就是分

13、別作出這三部分，再組合在一起，然后創(chuàng)建一個蓋子將其封閉，最后利用倒角、孔特征的完成三維模型的創(chuàng)建。2.1.1創(chuàng)建氣缸蓋殼體（1）啟動solidworks2007，選擇菜單命令“文件”、“新建”，在打開的“新建solidworks文件”，對話框中，選擇“零件”按鈕，單擊“確定”按鈕。（2）在featuremanager設(shè)計樹中選擇“前視”基準(zhǔn)面，點擊“草圖”繪制按鈕，將其作為草繪平面。（3）用草繪工具在前視基準(zhǔn)面上繪制出氣缸蓋底面的輪廓草圖，如圖2-1，圖2-1 缸蓋底輪廓（4）點擊“拉伸凸臺/基體”按鈕，在對話框中設(shè)置拉伸條件，如圖2-2所示。 圖2-2 拉伸條件設(shè)置（5）點擊“確定”按鈕，拉

14、伸實體如圖2-3所示。圖2-3 缸蓋拉伸實體（6）點擊“拉伸切除”按鈕，完成拉伸實體的去出材料操作，如圖2-4所示。圖2-4 切除材料后的缸蓋實體（7）點擊“抽殼按鈕，在對話框中設(shè)置抽殼條件，如圖2-5所示。圖2-5 抽殼條件設(shè)置（6）點擊“確定”按鈕，完成氣缸蓋殼體的創(chuàng)建如圖2-6所示。圖2-6缸蓋殼體2.1.2創(chuàng)建進(jìn)排氣道（1）創(chuàng)建進(jìn)氣道，在前示基準(zhǔn)面上，繪制掃描的輪廓線，如圖2-7所示。圖2-7 進(jìn)氣道口掃描輪廓（2）在另一基準(zhǔn)面上繪制掃描路徑線，且與輪廓相交如圖2-8所示。圖2-8進(jìn)氣道掃描路徑（3）點擊“掃描”按鈕，在對話框中設(shè)置條件，設(shè)置掃描輪廓和掃描路徑線，如圖2-9所示圖2-9

15、 進(jìn)氣道掃描條件設(shè)置（4）單擊“確定”按鈕，完成進(jìn)氣道的創(chuàng)建，如圖2-10。圖2-10 進(jìn)氣道（5）創(chuàng)建進(jìn)氣道，在前示基準(zhǔn)面上，繪制掃描的輪廓線，如圖2-11所示。圖2-11 排氣道口掃描輪廓（6）在另一基準(zhǔn)面上繪制掃描路徑線，且與輪廓相交如圖2-12所示。圖2-12 排氣道口掃描輪廓（7）點擊“掃描”按鈕，在對話框中設(shè)置條件，設(shè)置掃描輪廓和掃描路徑線，如圖2-13所示圖2-13 排氣道掃面條件設(shè)置（8）單擊“確定”按鈕，完成排氣道的創(chuàng)建，如圖2-14所示。圖2-7 排氣道2.1.3創(chuàng)建燃燒室（1）利用“旋轉(zhuǎn)-薄壁特征”，繪制燃燒室下部，如圖2-15所示。圖2-15 燃燒室底端旋轉(zhuǎn)薄壁（2）利

16、用“拉伸薄壁特征”，繪制燃燒室中部，完成燃燒室的創(chuàng)建，如圖2-16所示。圖2-16 燃燒室中部拉伸薄壁（2）利用“拉伸薄壁特征”，繪制燃燒室上部，完成燃燒室的創(chuàng)建，如圖2-17所示。圖2-17 燃燒室2.1.4氣缸蓋殼體、進(jìn)排氣道、燃燒室組合的創(chuàng)建利用“實體-移動/復(fù)制”按鈕分別將進(jìn)排氣道、燃燒室移動到氣缸蓋殼體內(nèi)，如圖2-18所示。圖2-18 缸蓋組合體2.1.5殼體底部的封閉利用“拉伸-凸臺基體”特征，拉伸實體將氣缸蓋底部封閉，如圖2-19所示。圖2-19 缸蓋的密封2.1.6創(chuàng)建氣缸蓋倒角特征如圖2-202.1.7創(chuàng)建氣缸蓋孔特征如圖2-20圖2-20缸蓋15四川理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）

17、第三章 氣缸蓋冷卻水道的cfd流場分析3.1打開solidworks模型（1）打開“氣缸蓋裝配體.sldasm”,該文件位于“氣缸蓋設(shè)及cfd分析”文件夾內(nèi)。（2）在solidworks特征樹下點入口1和出口2，用此來定義入口和出口的條件邊界。如圖3-1所示。出口入口 圖3-3 入口出口的選取3.2構(gòu)建cosmosfloworks項目（1）鼠標(biāo)點floworks菜單，然后點擊project,wizard。（2）點擊create new,創(chuàng)建新的配置，然后取項目名稱“氣缸蓋裝配體”，點擊next,如圖3-2所示。圖3-2分析對象的配置（3）選擇計算的單位制，本例選si。點擊next,如圖3-3所

18、示。圖3-3 單位的設(shè)置（4）將analysis type 設(shè)定為internal,同時不包括任何的physical features, 點擊next,如圖3-4所示。圖3-4 分析類型的設(shè)置（5）在fluids樹上，點擊fluids選項，選擇water sp?？梢酝ㄟ^雙擊或者點擊add實現(xiàn)，點擊next,入圖3-5所示。圖3-5 流體類型的設(shè)置（6）如圖3.6所示，點擊next接受默認(rèn)的壁面條件可以自行定義壁面粗糙度值，表示為真實的壁面邊界條件，其定義為粗糙峰的rz值。圖3-6 粗糙度的定義（7）如圖3-7所示，點擊next接受默認(rèn)的初始條件。這里定義的是p/v/t的初始條件，。實際上，初始

19、值與最終的計算值越接近，計算時間越短。這里我們并不知道數(shù)值結(jié)果的最終值，所以接受默認(rèn)值。圖3-7 p/v/t的設(shè)置（8）接受result resolution的設(shè)置。勾選manual specification of the minimum gap size,同時填入0.0093作為mininum gap size ,如圖3-8所示。result resolution 描述了對結(jié)果準(zhǔn)確性的期望值。不僅控制了網(wǎng)格的精度，而且控制求解器的其他參數(shù)，例如收斂準(zhǔn)則等，其植越高，收斂條件越高，同時求解時間越長。圖3-8 網(wǎng)格精度設(shè)置（9）點擊finish,cosmosfloworks 完成了一個新的配置

20、創(chuàng)建，點擊solidworks configuration maniger 就可以看到氣缸蓋配置已經(jīng)被創(chuàng)建了，如圖3-9所示。圖3-9 流體分析配置創(chuàng)建的完成（10）如圖3-10所示，鼠標(biāo)所示位置，點擊進(jìn)入cosmosfloworks analysis tree,打開所有的節(jié)點。在下面的流程里，我們回在此定義我們的分析內(nèi)容，也正如在solidworks feature manager中構(gòu)建實體特征進(jìn)行設(shè)計的過程?？梢酝ㄟ^在任何時候選擇顯示或者隱藏關(guān)系的內(nèi)容。在computational domain 節(jié)點單擊右鍵，點擊hide，隱藏計算區(qū)域的黑色線框，如圖3-10所示 。圖3-10黑色線框的隱

21、藏3.3邊界條件的設(shè)置邊界條件是求解區(qū)域的變量值，或者是對時間和位置的導(dǎo)樹情況。變量可以是壓力，質(zhì)量或體積流動，速度。（1）點擊剖面圖圖標(biāo)，打開剖視圖，如圖3-11所示，打開相應(yīng)的剖面示圖選擇入口1的內(nèi)側(cè)面。圖3-11 汽缸蓋剖視圖（2）在cosmosfloworks analysis tree,右擊boundary condition 圖標(biāo)，選擇insert bourndary condition,如圖3-12所示。圖3-12 插入邊界（3）如圖3-13所示，在type里選擇inlet velocity,在flow parameters中設(shè)置 flow parameers v為0.5m/s。

22、點擊“確定”，結(jié)束設(shè)置，inlet velocity 1 節(jié)點會出現(xiàn)在boundary conditions節(jié)點下。這里告訴cosmosfloworks,水以0.5m/s的速度流入氣缸蓋冷卻水道，另外，也可以定義流動的旋渦程度，非一致性以及隨時間的變化特性。因為流體的流動具有質(zhì)量守恒的特性，這里不必再另外定義氣缸蓋的流出邊界條件，默認(rèn)為與流入相同。另外需要定義的出口條件即時出口壓力。圖3-13入口流體參數(shù)設(shè)置（4）選中出口2的內(nèi)側(cè)面。在cosmosfloworks analysis tree,右擊bondaryconditon 圖標(biāo)，選擇insert boundary conditon。如圖3

23、.-14所示，選擇pressure openings 作為basic set of boundary conditons,并以static pressure 作為type of boundary condition。圖3-14 出口流體參數(shù)的設(shè)置（5）在thermodynamic parameters中，定義如圖3-15所示。圖3-15 熱力學(xué)參數(shù)的設(shè)置（6）點擊“確定”，就回看到static pressure2節(jié)點加入到boundary conditions節(jié)點下，如圖3.16所示。這樣就完成了的對cosmosfloworks出口邊界條件的定義-流體以出口標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的形式流出。圖3-16 邊

24、界條件設(shè)置的完成3.4定義求解目標(biāo)（1）右擊cosmosfloworks analysis tree 中的goals 節(jié)點圖標(biāo)，選擇insert surface goals,如圖3-17所示。圖3-17 求解目標(biāo)的設(shè)置（2）點擊inlet mass flow1,表明求解目標(biāo)的截面位置。（3）在prameter表的velocity 行，選中av ,另外注意use for conv.已經(jīng)被選中，表明將會使用定義的求解目標(biāo)用作收斂控制，如圖3-18所示。如果use for conv 未被選中則該變量不會影響迭代過程的收斂性。而是用作“監(jiān)視變量”，從而提供給我求解過程的額外信息，同時不會影響求解的結(jié)果

25、和解算時間。圖3-18 選取平均流速（4）在prameter表的velocity 行，選中av ,另外注意use for conv.已經(jīng)被選中，表明點擊ok，則在goals 節(jié)點下，出現(xiàn)velocity作為求解目標(biāo)。求解目標(biāo)表明了用戶對某種類型變量的關(guān)切程度。通過對求解變量目標(biāo)的定義，求解器了解到變量的重要程度。在全部求解區(qū)間內(nèi)定義的目標(biāo)變量叫做全局目標(biāo)變量(gloabal goals),在局部選定的區(qū)間定義的目標(biāo)壁面目標(biāo)(surface goals),或者叫作體積目標(biāo)(volume goals)。另外可以定義平均值，最大值/最小值，以及表達(dá)式作為求解目標(biāo)。3.4.5點擊“文件”，保存。3.5

26、求解計算點floworks 菜單，slove選項，點run,如圖3-19所示圖3-19 求解運(yùn)行3.6監(jiān)視求解過程如圖3-20所示就是求解過程的監(jiān)視對話框。左邊正在進(jìn)行的求解過程，右邊則是計算資源的信息提示。圖3-20 求解過程的監(jiān)視（1）在prameter表的velocity 行，選中av ,另外注意use for conv.已經(jīng)被選中，表明如圖3-20所示點擊對話框邊上的insert goal plot 按扭，則出現(xiàn)add/remove goals 對話框。（2）如圖3-21所示，點選velocity,然后點ok。圖3-21 點選流速如圖3-22所示的goal對話框，列出了每一個設(shè)置的求解

27、目標(biāo)，這里可以觀測到計算的當(dāng)前值個迭代次數(shù)。圖3-22 觀察迭代次數(shù)（3）求解結(jié)束時，點選“文件“，“保存”。3.7改變表模型的透明程度。點選floworks 菜單后，點選results,display,transparency，將modely trasparency的值設(shè)置為0.75，如圖3-23所示。圖3-23調(diào)節(jié)透明度這里將實體設(shè)置成透明的狀態(tài)，于是就可以清晰的看到流動的截面。3.8繪制截面圖（1）鼠標(biāo)右選cut plots 圖標(biāo)，選擇insert,如圖3-24所示。圖3-24 插入截面圖 （2）設(shè)定顯示截面的位置選擇選擇前示基準(zhǔn)面為顯示截面?？梢酝ㄟ^在solidworks featur

28、e manager 中，點選前示基準(zhǔn)面實現(xiàn)。保持contuours 選項，即顯示輪廓線，如圖3-25所示。點選ok，圖3-25顯示的就是結(jié)果的截面圖?？梢砸匀魏蔚膕olidworks平面作為結(jié)果的截面位置，顯示方法有輪廓線、等值線和矢量的方式。圖3-25 界面位置的選?。?）對圖線的進(jìn)一步的設(shè)置。雙擊、顯示區(qū)左側(cè)的顏色比例，或者在results節(jié)點圖標(biāo)點鼠標(biāo)右鍵，選擇view settings。這里可以設(shè)置顯示的變量（包括壓力、溫度、流速等）和用來顯示數(shù)值結(jié)果的顏色數(shù)量，如圖3-26所示，圖3-26 觀察方式的設(shè)置再分別繪制各變量在底部、中部、頂部的截面圖，流速在氣缸蓋在底部、中部、頂部的三部

29、分截面圖，如3-27、3-28、3-29所示， 圖3-27底部流速截面圖 圖3-28中部流速截面圖 圖3-29頂部流速截面圖由1組的截面圖可以看出：a）燃燒室和進(jìn)排氣道組成的區(qū)域的流速比較高，這是合理的，因為鼻梁區(qū)域的溫度很高，故冷卻液需要相適應(yīng)的較高流速。而該截面的其他區(qū)域水流很緩慢，在一定的程度上是由于冷卻液的進(jìn)出口的選擇位置決定的。而本文進(jìn)行的cfd流場分析，簡化了分析模型，只設(shè)置了一個進(jìn)口和出口，而實際上，冷卻液的進(jìn)口是有多出的，故出現(xiàn)了這種現(xiàn)象。b）顏色反映了流速大小，箭頭指向反映了流速方向，各截面圖冷卻液的流速在發(fā)布分區(qū)域分布是合理，但局部區(qū)域存在分布不均和較低流速現(xiàn)象。溫度在底部

30、、中部、頂部的三部分截面圖 圖3-30 底部流速截面圖 圖3-31中部流速截面圖 圖3-32底部流速截面圖由上面截面圖可以看出：上面是冷卻缸蓋底部到汽缸蓋頂部冷卻液的溫度在汽缸蓋三個截面的分布情況，受熱比較均勻，溫度從底部到頂部的變化不是很明顯壓力在底部、中部、頂部的三部分 圖3-33底部流速截面圖 圖3-34中部流速截面圖圖3-35頂部流速截面圖由上面截面截圖可以看出：a）黃色的顏色表示壓力大小的分布數(shù)值范圍，箭頭指向表示了壓力的方向分布，同時，各界面圖相對比，反映了壓力從底部到頂部的變化不是很明顯，不像冷卻液的流速參數(shù)呈現(xiàn)明顯的變化。b）冷卻液的出口壓力要低于進(jìn)口的壓力，說明存在著壓力損失

31、。但壓力損失要控制在合理的范圍之內(nèi)，壓力差損失不能太高。3.9繪制等值截面圖（1）鼠標(biāo)右鍵點擊isosurface圖標(biāo)，選擇show,就可以顯示等值截面了，結(jié)果如圖3-36所示。等值截面是cosmosfloworks創(chuàng)建的三維曲面，該曲面表明，通過該曲面的變量具有相同的數(shù)值。變量的類型和變量的數(shù)值可以在view settings對話框的isosurface 頁里設(shè)置。圖3-36 等值截面圖（2）鼠標(biāo)右鍵點擊顯示的白色區(qū)域，選澤view settings 進(jìn)入設(shè)置，如圖3-37所示。圖3-37觀察方式設(shè)置（3）進(jìn)入isosurfaces設(shè)置頁面。（4）use for contours 表明這里顯

32、示的曲面顏色與壓力輪廓線圖顯示的壓力顏色相同。（5）拖拽parameter 滾動條，從而改變顯示的壓力數(shù)值。（6）點擊floworks 菜單后，點擊results,display,lighting,結(jié)果如圖3-38所示。對三維曲面施加lighting設(shè)置可以是我們更好的觀察曲面。圖3-38 施加lighting的等值曲面 （7）點擊ok，創(chuàng)建新的配置，然后取項目名為“氣缸蓋”。等值三維曲面可以幫助我們確定流體的壓力和速度等變量在哪里達(dá)到了一個確定的值。3.10流動軌跡圖鼠標(biāo)右鍵點擊isosurface圖標(biāo)，選擇hide。（1）如圖3-39所示，鼠標(biāo)右鍵flow trajectories圖標(biāo)，選

33、擇insert。圖3-39 插入流動軌跡圖（2）在cosmos floworks analysis tree,鼠標(biāo)左鍵點擊statid pressure1圖標(biāo)，選擇出口2零件的內(nèi)側(cè)壁面，如圖3-40所示。圖3-40 流體參數(shù)定義（3）將number of trajectories 的數(shù)量改為20。（4）點擊ok，則顯示出流動軌跡圖，如圖3-41所示。流動軌跡顯示了流動的線形。可以通過execel記錄變量的變化對流動軌跡的影響。另外也可以保存流動軌跡的曲線。這里的計算結(jié)果表明，在出口2的內(nèi)內(nèi)側(cè)面有流體同時流入和流出的現(xiàn)象。一般來講，在同一個截面上，如果同時存在流如入和流出的流動，計算結(jié)果的準(zhǔn)確性

34、將受到影響。解決方法是在出口處增加管道，從而增大計算求解的區(qū)間，就可以解決在出口存在旋渦的問題。圖3-41 流體軌跡圖3.11壓力損失評價壁面參數(shù)值給出了與流體接觸固壁的壓力、力和熱通量等參數(shù)值。這里我們以沿著冷卻水道的壓力降為例。（1）右鍵點擊surface paramerers 圖標(biāo)，選擇insert ,如圖3-42所示。3-42插入壁面參數(shù)（2）通過在cosmosfloworks analysisi tree選擇inlet mass flow1,選擇入口1內(nèi)側(cè)面，如圖3-43所示。圖3-43 等值截面圖（3）點擊evaluate。（4）選擇local,如圖3-44所示。圖3-44 壁面參

35、數(shù)結(jié)果顯示（5）關(guān)閉surface parameters對話框。這里顯示出在流動入口的平均壓力為152425pa,同時我們在開始定義的出口壓力邊界條件為150000pa,于是得到沿著冷卻水道的壓力差為2.425kpa的結(jié)論。壓力損失不大在合理的范圍之內(nèi)。3.12流場分布評價（1）鼠標(biāo)右鍵點擊surface plot圖標(biāo)，選擇insert,如圖3-45所示。圖3-45 插入壁面圖（2）如圖 3-46所示，勾選use all faces,勾選contours。圖3-46 觀察方式設(shè)置（3）點擊ok,就可以得到壁面結(jié)果圖了，如圖3-47所示。圖3-47 汽缸蓋流速壁面圖在這里顯示出流體流速在所有與流

36、體接觸壁面上的分布情況。也可以單獨(dú)顯示在高溫高負(fù)荷區(qū)域的冷卻液流速分布情況，如燃燒室、排氣道、進(jìn)氣道和燃燒室圍城的鼻梁區(qū)域，都可以繪制出相關(guān)物理參數(shù)（流速、溫度、壓力等）在這些區(qū)域的情況。流體流速在燃燒室壁面的分布，如圖3-48所示。圖3-48 燃燒室流速壁面圖 流體流速在排氣道壁面的分布，如圖3-49所示。圖3-49 排氣道流速截面圖流體流速在鼻梁區(qū)域壁面的分布情況，如圖3-50所示。圖3-50 鼻梁區(qū)域流速截面圖3.12.4結(jié)果分析繪制壁面圖反映了關(guān)鍵區(qū)域的冷卻液流速分布情況，壁面圖，可以得到如下結(jié)論：（1）由燃燒室壁面圖3-48可以看出，燃燒室的壁面的平均流速約為0.8m/s,流速有待于

37、提高。（2）由排氣道的壁面圖3-49可以看出排氣道的表面的平均流速約為1m/s,基本上達(dá)到了冷卻要求。（3）由3-50，可以知道鼻梁區(qū)的平均流速約為0.5m/s,，同時存在著流動死區(qū)，流速低于0.2m/s,冷卻效果不是很好，需要改進(jìn)。39第四章 結(jié) 論經(jīng)過兩個多月的學(xué)習(xí)，在陳老師的耐心知道下，基本上完成了氣缸蓋的三維建模及冷卻水道cfd流場分析?；镜乃悸肪褪鞘紫韧瓿蓺飧咨w的三維模型的創(chuàng)建，在此基礎(chǔ)上，利用cfd軟件對其冷卻水道進(jìn)行流速、溫度、壓力方面的分析。重點是冷卻液流速的分析。從前一章的cfd的分析，可以清楚的了解氣缸蓋冷卻水道的任何一處的溫度、流速、壓力分布情況，如本文繪制了流速在氣缸

38、蓋的底部、中部、頂部流速分布圖，通過對比，底部的流速要高于上部的流速，這也符合氣缸蓋的設(shè)計要求，因為，氣缸蓋的底部溫度要高于上部的溫度。同樣依次也可以對氣缸蓋的其他參數(shù)變量進(jìn)行類似的對比分析。從而，為氣缸蓋的設(shè)計提供合理的依據(jù)。針對高溫高負(fù)荷區(qū)域冷卻液的流速不高和出現(xiàn)的死區(qū)的問題，本文認(rèn)為可以從以下幾個方面對其進(jìn)行改進(jìn)，從而減少死水區(qū)域，加強(qiáng)水流導(dǎo)向，加大流速，降低流阻。（1）從冷卻液進(jìn)出口的角度考慮，可以增加進(jìn)口的個數(shù)，改變進(jìn)出口的形狀和位置。（2）水腔內(nèi)部的過度位置要可以增大圓角，減少由于安裝需要設(shè)置螺栓空前端的凸臺個數(shù)或盡量減少其在水腔內(nèi)所占的空間，從而能夠降低流體阻力，使水流更加順暢。

39、方案改進(jìn)后鼻梁區(qū)的死水區(qū)基本消失，燃燒室的平均流速排氣道的流速都有顯著提高,冷卻液在關(guān)鍵區(qū)域的流場分布更加合理，流速均得到了較大的提高，冷卻效果獲得了很好的加強(qiáng)。通過本次的畢業(yè)設(shè)計，一方面加深了所學(xué)的專業(yè)知識，對大學(xué)四年的專業(yè)學(xué)習(xí)有了一個很好的總結(jié)。同時提高了自己使用計算機(jī)的使用能力，掌握了三維軟件方面的知識：另一方面，我從中學(xué)會了堅持，懂得了認(rèn)真做事的道理，還有從陳老師的的身上明白守時敬業(yè)的內(nèi)涵。這些都會對我以后的學(xué)習(xí)和工作有著很好的幫助。四川理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）參考文獻(xiàn)1鄭長松 謝昱北 郭軍 等.solidworks 2006中文 版機(jī)械設(shè)計高級應(yīng)用實例m.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200

40、6.52岳榮剛.solidworks 2006零件裝配與設(shè)計教程m.北京：冶金工業(yè)出版，2006.63 鄰家讓 王新國 氣車構(gòu)造.發(fā)動機(jī)篇m.北京電子工業(yè)出版社.20044周寶龍 內(nèi)燃機(jī)學(xué)m.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.20055王書義 王憲成 發(fā)動機(jī)冷卻水流動的實驗研究j.裝甲兵工程大學(xué)報.19996朱義倫 鄧康耀 發(fā)動機(jī)缸頭冷卻水場實驗研究j.上海交通大學(xué)報.20007錢作勒 硬度塞法測量柴油機(jī)缸蓋溫度的實驗研究j.船舶工程2005.27（1）.59-618張強(qiáng) 李娜 王志明 車用柴油機(jī)缸蓋冷卻水腔的cfd分析j.車用發(fā)動機(jī)2005.9（6）.59-629姚伸朋 車輛冷卻熱m.北京：北京理工大學(xué)

41、出版社.10王虎 內(nèi)燃機(jī)零部件熱負(fù)荷研究的現(xiàn)狀討論展望j.內(nèi)燃機(jī).2005（6）4-5911孫紅飛 發(fā)動機(jī)冷卻水道流場及冷卻特性的分析研究j.北京：北京交通大學(xué).研究生學(xué)位論文41致 謝本論文是在陳敏老師的嚴(yán)格要求和指導(dǎo)下完成的，在完成論文中的每一步中都凝聚著她的汗水和心血，在整個畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)中，她嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的理論知識，豐富的時間經(jīng)驗以及積極進(jìn)取、孜孜不倦的敬業(yè)精神都使我受益匪淺，為我以后的學(xué)習(xí)和工作提供了目標(biāo)和動力，陳老師在畢業(yè)設(shè)計方面給予了我很多無私的關(guān)懷和幫助，既是良師又是益友，讓我學(xué)到了做人做事的道理，在此，我向陳老師致以崇高的敬意和衷心的感謝。同時，我也感謝我的同學(xué)給予的幫

42、助，感謝他們在畢業(yè)設(shè)計中給了我很多建議和幫助，還有我的舍友們在整個本科學(xué)習(xí)期間給了很多幫助，使我不斷充實自己、提高自己，我們在一起度過了美好的大學(xué)時光。 最后，還要感謝我的父母在生活和精神上給予我的鼓勵和支持，你們是我生活永遠(yuǎn)的動力。四川理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）附 錄分析結(jié)果報告default roughness: 0 micrometerdefault wall conditions: adiabatic wallinitial conditions full reportsystem infoproductcosmosfloworks 2007/ pe sp0.0. build: 259c

43、omputer namepc2011042103ulnuser nameadministratorprocessorsintel(r) celeron(r) cpu 2.60ghzmemory1023 mb / 2047 mboperating systemwindows xp service pack 3cad versionsolidworks 2007 sp0cpu speed2605 mhzgeneral infomodele:王德理邊界改變后的cfd分析裝配體1.sldasmproject name氣缸蓋裝配體project pathe:王德理邊界改變后的cfd分析11.fwpuni

44、ts systemsi (m-kg-s)analysis typeinternalexclude cavities without flow conditions oncoordinate systemglobal coordinate systemreference axisxinput datainitial mesh settingsautomatic initial mesh: onresult resolution level: 3advanced narrow channel refinement: offrefinement in solid region: offgeometr

45、y resolutionevaluation of minimum gap size: manualminimum gap size: 0.093 mevaluation of minimum wall thickness: automaticcomputational domainsizex min-0.020053123 mx max0.0757301546 my min-0.0545304495 my max0.0642065501 mz min-0.0191556343 mz max0.020811679 mphysical featuresheat conduction in sol

46、ids: offtime dependent: offgravitational effects: offflow type: laminar and turbulenthigh mach number flow: offthermodynamic parametersstatic pressure: 101325 patemperature: 293.2 kvelocity parametersvelocity vectorvelocity in x direction: 0 m/svelocity in y direction: 0 m/svelocity in z direction:

47、0 m/sturbulence parametersturbulence intensity and lengthintensity: 2 %length: 0.000615517085 mmaterial settingsfluid type: liquidfluidswater spboundary conditionsinlet velocity 1typeinlet velocityfacesface coordinate systemface coordinate systemreference axisxflow parametersflow vectors direction:

48、normal to facefully developed flow: novelocity normal to face: 0.5 m/sinlet profile: 0 thermodynamic parameterstemperature: 373.2 kturbulence parametersturbulence intensity and lengthintensity: 2 %length: 0.000615517085 mboundary layer parametersboundary layer type: turbulentstatic pressure 1typesta

49、tic pressurefacesface coordinate systemface coordinate systemreference axisxthermodynamic parametersstatic pressure: 151987.5 patemperature: 383.2 kturbulence parametersturbulence intensity and lengthintensity: 2 %length: 0.000615517085 mboundary layer parametersboundary layer type: turbulentgoalssu