柴油機(jī)缸、缸內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的cfx模擬

柴油機(jī)缸、缸內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的cfx模擬

發(fā)動機(jī)的氣泵蓋的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。其功能是由各種物理場所（如河流場、溫度場和應(yīng)力場）的共同作用決定的。目前對氣缸蓋的研究方法主要有仿真計(jì)算和試驗(yàn)測量兩類,與試驗(yàn)測量方法相比,仿真計(jì)算不僅可以縮短研制周期、降低研究費(fèi)用,而且通過仿真還能獲得一些試驗(yàn)難以測量的數(shù)據(jù),已成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的發(fā)展方向,越來越受到人們的重視。目前由于氣缸蓋幾何模型的復(fù)雜性以及計(jì)算機(jī)軟件和硬件技術(shù)的限制,許多學(xué)者采用數(shù)值計(jì)算的方法對氣缸蓋進(jìn)行研究時(shí),對氣缸蓋的幾何模型進(jìn)行了一定程度的簡化,因此在一定程度上影響了計(jì)算結(jié)果的精確性。本文針對此類問題,以某高速大功率柴油機(jī)為研究對象,采用ANSYSWorkbench軟件及其CFX模塊對由缸蓋、缸蓋內(nèi)冷卻水道以及氣門導(dǎo)管組成的局部系統(tǒng)進(jìn)行流固耦合傳熱分析,使得缸蓋溫度場及其內(nèi)部冷卻水流場在單一計(jì)算模型中得以實(shí)現(xiàn),確定了氣缸蓋底板火力面的最高溫度、最大局部溫度梯度及其所在的部位,對其熱狀態(tài)進(jìn)行評價(jià);并為進(jìn)一步進(jìn)行熱應(yīng)力和熱變形計(jì)算提供依據(jù)。1流固耦合傳熱的數(shù)學(xué)模型對于某些流體與固體之間的對流換熱問題,熱邊界條件無法預(yù)先給定,而是受到流體與壁面之間相互作用的制約。這時(shí)無論界面上的溫度還是熱流密度都應(yīng)看成是計(jì)算結(jié)果的一部分,而不是已知條件。像這類熱邊界條件是由熱量交換過程動態(tài)地加以決定而不能預(yù)先規(guī)定的問題,稱為耦合傳熱問題。流固耦合傳熱計(jì)算的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)流體與固體或交界壁面處的熱量傳遞。由能量守恒可知,在流固耦合界面處,固體傳出的熱量應(yīng)等于流體吸收的熱量。所以,可采用方程(1)描述這一守恒,即用該方程聯(lián)接缸蓋實(shí)體的Fourier熱傳導(dǎo)方程和流體的對流換熱控制方程Kcond?T?n|wf=qconv=hconv(Tf?Tw)Κcond?Τ?n|wf=qconv=hconv(Τf-Τw).(1)式中:Kcond為固體的導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K));hconv為局部對流換熱系數(shù)(W/(m2·K));Tf為流體溫度(K);Tw為壁面溫度(K).2燃油傳熱的全仿真模擬目前,內(nèi)燃機(jī)傳熱研究的一個(gè)重要方向是把缸內(nèi)流動、燃燒、對流傳熱、輻射傳熱模型與燃燒室部件整體(缸蓋-缸套-活塞組)耦合起來,進(jìn)行整體模型仿真——內(nèi)燃機(jī)傳熱的全仿真模擬。內(nèi)燃機(jī)傳熱全仿真模擬的設(shè)想最初起源于對絕熱柴油機(jī)的研究需要。雖然它是針對絕熱機(jī)研究提出的,但它卻是內(nèi)燃機(jī)傳熱研究發(fā)展到一定階段的必然結(jié)果。內(nèi)燃機(jī)傳熱全仿真的實(shí)施還存在很多難點(diǎn),國內(nèi)外的研究人員在內(nèi)燃機(jī)傳熱耦合仿真研究中,大部分還是從不同的側(cè)面,選取局部系統(tǒng)進(jìn)行的。本文采用整場離散、整場求解的方法,對缸蓋與缸蓋內(nèi)冷卻水道進(jìn)行耦合傳熱分析。2.1高溫燃?xì)鈧鳠嵩谌紵抑車饕軣崃悴考?dāng)中,缸蓋所涉及到的流動與傳熱過程是最為復(fù)雜的一個(gè)。缸蓋底板直接與缸內(nèi)混合氣相接觸,兩者之間在柴油機(jī)工作過程的不同階段通過不同的方式進(jìn)行熱量交換,在短暫的柴油機(jī)工作循環(huán)周期內(nèi),高溫燃?xì)馀c缸蓋之間的對流與輻射換熱起決定性作用,其中局部高溫區(qū)域可能發(fā)生沸騰換熱。排氣門和氣門座直接受到高溫燃?xì)獾臎_刷,承受著很高的熱負(fù)荷。一般在較小缸徑的柴油機(jī)上,排氣門上的熱量大部分是通過氣門桿傳給氣門導(dǎo)管,傳遞的熱量與氣門桿和導(dǎo)管的間隙有關(guān)。從柴油機(jī)受熱零部件的接觸關(guān)系上看,該傳熱系統(tǒng)包括流體-固體之間的耦合(冷卻水與缸蓋)以及固體-固體之間的耦合(排氣門導(dǎo)管與氣缸蓋)。耦合系統(tǒng)的基本構(gòu)成冷卻水、缸蓋和排氣門導(dǎo)管(鑄鐵)的物性參數(shù)如表1所示。2.2連接加熱系統(tǒng)的建模1幾何模型的建立由于該型柴油機(jī)各缸缸蓋的進(jìn)水和出水相互獨(dú)立,因此只選取3缸缸蓋進(jìn)行建模作為仿真對象,采用三維造型軟件Pro/Engineer建立缸蓋和冷卻水道幾何模型,建立的缸蓋實(shí)體模型與冷卻水道幾何模型和排氣門導(dǎo)管實(shí)體模型不僅結(jié)構(gòu)尺寸、形位關(guān)系準(zhǔn)確完整,而且可實(shí)現(xiàn)三者的完全耦合,如圖1、圖2、圖3、圖4所示。2物理模型的建立除了考慮幾何建模難度、網(wǎng)格人工耗時(shí)和網(wǎng)格質(zhì)量對計(jì)算區(qū)域幾何模型的影響所作的簡化之外,計(jì)算機(jī)硬件條件、數(shù)值仿真的求解效率以及影響傳熱過程的主要特征是對物理模型進(jìn)行簡化所需遵循的基本原則。針對選取的耦合傳熱系統(tǒng),對物理模型進(jìn)行如下簡化:a.冷卻水與缸蓋之間的換熱方式主要為對流換熱,不計(jì)沸騰換熱的影響;b.進(jìn)氣道壁面、排氣道壁面以及缸蓋火力面上各處熱邊界條件(流體溫度、對流表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、熱流密度)均隨地點(diǎn)而變化,實(shí)際計(jì)算中結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式和使用柴油機(jī)工作過程仿真的結(jié)果給定這些壁面的熱邊界條件;c.認(rèn)為所截取的單缸缸蓋在與之相鄰的缸蓋的接觸面上沒有熱量交換,即缸蓋兩側(cè)壁面為絕熱壁面。基于以上假設(shè),本文對該流固耦合傳熱系統(tǒng)進(jìn)行三維、穩(wěn)定工況下的流動與傳熱仿真計(jì)算。3流固耦合界面邊界條件選取的耦合傳熱系統(tǒng)僅是一個(gè)局部區(qū)域,其邊界可分為外邊界和內(nèi)邊界兩部分。冷卻水道和排氣門導(dǎo)管與缸蓋之間的界面是系統(tǒng)內(nèi)部界面,無需定義邊界條件。但在流固耦合界面處,選取的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型只適用于湍流核心區(qū)域,在流動情況變化很大的粘性底層區(qū)域,選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理耦合界面處的流動邊界層和傳熱邊界層。本文計(jì)算工況選為柴油機(jī)的額定功率工況。3.1幾何模型修復(fù)在Pro/Engineer中建立計(jì)算區(qū)域幾何模型,將幾何模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中的CFXmesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在劃分網(wǎng)格之前應(yīng)對導(dǎo)入的計(jì)算區(qū)域幾何模型進(jìn)行修復(fù),采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對缸蓋及缸蓋內(nèi)冷卻水道的幾何模型進(jìn)行區(qū)域離散;計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格如圖5所示,網(wǎng)格總數(shù)大約為140萬。劃分完網(wǎng)格之后,將缸蓋內(nèi)冷卻水道(流體)各個(gè)表面與相鄰的缸蓋(固體)的各個(gè)表面逐一匹配、將兩排氣門導(dǎo)管的外表面與相應(yīng)的缸蓋的表面相匹配。缸蓋內(nèi)冷卻水道底面耦合界面及排氣道水側(cè)面耦合界面分別如圖6、圖7所示。3.2進(jìn)水總流速度及來流速度流動邊界條件主要包括入口、出口及壁面邊界條件。冷卻水入口采用速度入口邊界條件,需要定義入口處冷卻水流速、溫度、湍流強(qiáng)度及湍流特征長度。根據(jù)該樣機(jī)冷卻水高溫循環(huán)的設(shè)計(jì)要求,設(shè)定計(jì)算區(qū)域進(jìn)水口處冷卻水溫度為378K,進(jìn)口處冷卻水流速為3.86m/s.進(jìn)口處湍動能K∞、湍動能耗散率ε∞由進(jìn)口的來流速度u∞確定K∞=32(0.05u∞)2Κ∞=32(0.05u∞)2.(2)ε∞=CμK3/2∞/L.(3)式中:L為湍流特征長度,取為進(jìn)水總管直徑40mm;Cμ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取0.09.冷卻水出口采用出流邊界條件,該邊界條件適用于出口處的流動是充分發(fā)展的情況,即意味著出流面上的流動情況由區(qū)域內(nèi)部外推得到,對上游流動沒有影響,只需定義出口處的參考壓力,為使冷卻水不產(chǎn)生沸騰以及參考某型裝甲坦克設(shè)計(jì)參數(shù)取出口處的參考壓力為288099Pa.壁面采用無滑移壁面邊界條件。3.3接觸部分的仿真1)缸內(nèi)燃?xì)馀c氣缸蓋底板以及廢氣與排氣道壁面之間的傳熱邊界條件均采用第三類邊界條件,即給定傳熱系數(shù)以及外部溫度。2)缸蓋火力面與燃?xì)饨佑|的部分,采用wave軟件仿真的結(jié)果,在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)取平均傳熱系數(shù)為1000W/(m2·K),平均燃?xì)鉁囟葹?080K.3)進(jìn)氣道壁面處的傳熱系數(shù)常在170~580W/(m2·K)范圍內(nèi),本次計(jì)算取為580W/(m2·K),進(jìn)氣溫度為設(shè)計(jì)值333K.4)排氣門導(dǎo)管內(nèi)表面沿高度方向分為兩段,上段的環(huán)境溫度為423K,下段的環(huán)境溫度為473K,整個(gè)內(nèi)表面的傳熱系數(shù)都相同,取為690W/(m2·K).4表中的冷卻水流場和儲層溫度場的分析4.1道頂部排放道由3缸缸蓋內(nèi)冷卻水道內(nèi)部冷卻水的流動跡線(如圖8所示)可見,大量冷卻水直接經(jīng)缸蓋內(nèi)冷卻水道頂部的兩個(gè)通道由排氣道周圍的冷卻水腔流入進(jìn)、排氣門周圍的冷卻水腔,然后通過缸蓋頂部的出水口流入排水道內(nèi)。經(jīng)缸蓋內(nèi)冷卻水道底部的兩個(gè)通道流入進(jìn)、排氣門周圍水腔的少量冷卻水未能在缸蓋底部形成較大的擾動,導(dǎo)致缸蓋內(nèi)冷卻水道底面部分冷卻水流速較低,缸蓋底部的冷卻效果不好。4.2苗木內(nèi)冷卻水流動跡線氣缸蓋溫度分布不均勻(如圖9所示),排氣側(cè)缸蓋底板火力面溫度較高。缸蓋底板火力面最高溫度在兩排氣門之間的“鼻梁區(qū)”附近,最高溫度為631.7K.對于鑄鐵材料的氣缸蓋其極限溫度應(yīng)小于673K,僅從最高溫度來看氣缸蓋的冷卻是滿足要求的。氣缸蓋內(nèi)部與冷卻水接觸的表面的最高溫度在噴油器底座附近(如圖10所示),達(dá)到520.8K.氣缸蓋底板沿厚度方向的平均溫度梯度較大,達(dá)到10.1K/mm.由前文缸蓋內(nèi)冷卻水道(圖2缸蓋內(nèi)冷卻水道幾何模型)的結(jié)構(gòu)以及缸蓋內(nèi)冷卻水流動跡線(如圖8所示),在缸蓋底板兩排氣門之間的“鼻梁區(qū)”附近沒有布置冷卻水道,導(dǎo)致該區(qū)域溫度接近材料溫度極限。由圖11及圖12可見,氣缸蓋進(jìn)氣道及排氣道在接近燃燒室附近的壁面上溫度較高,且在靠近燃燒室中心的壁面上溫度最高。氣缸蓋進(jìn)氣道壁面受到增壓空氣(333K)的冷卻,整體溫度低于排氣道壁面,兩者最高溫度相差大約為91.5K.4.3蓋出水口的改作綜合考慮冷卻水流場及缸蓋溫度場,提出以下改進(jìn)措施:適當(dāng)降低缸蓋出水口位置,將缸蓋出水口由上方出水改為由缸蓋下方出水;將排氣道周圍水腔與進(jìn)、排氣門周圍水腔之間的四通道結(jié)構(gòu)改為兩通道結(jié)構(gòu),并且通道宜斜向下布置;在各缸缸體水套與缸蓋內(nèi)冷卻水道之間增加兩個(gè)串水孔,增加缸蓋內(nèi)冷卻水道底部冷卻水的擾動;適當(dāng)增大缸蓋進(jìn)水口面積。5耦合傳熱系統(tǒng)物理模型的建立本文采用ANSYSWorkbench軟件中的CFX模塊對由缸蓋、缸蓋內(nèi)冷卻水道和排氣門導(dǎo)管組成的局部系統(tǒng)進(jìn)行流固耦合傳熱分析,通過數(shù)值計(jì)算得到該樣機(jī)在額定工況下氣缸蓋的溫度場分布。1)通過分析柴油機(jī)工作過程中氣缸蓋所涉及到的流動與傳熱過程,明確了耦合傳熱系統(tǒng)的基本構(gòu)成包括缸蓋、缸蓋內(nèi)冷卻水道和排氣門導(dǎo)管。2)建立了計(jì)算區(qū)域幾何模型及耦合傳熱系統(tǒng)的物理模型。在CFXmesh中對計(jì)算區(qū)域各部分劃分網(wǎng)格,并設(shè)