采用軟件進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)流固耦合分析

楊萬(wàn)里許敏辛軍劉國(guó)楊萬(wàn)里許敏辛軍劉國(guó)慶李修蓬奇瑞汽車(chē)有限公司汽車(chē)工程研究院，安徽蕪湖：建立內(nèi)燃機(jī)部件或者整機(jī)詳細(xì)的傳熱分析模型，整機(jī)模型包括缸蓋、火花塞、進(jìn)排氣門(mén)、缸體、汽缸墊及框架的詳細(xì)有限元模型?？紤]接觸面的接觸熱阻；采用AVL-FIRE軟件，將流體傳熱邊界分成層流和湍流區(qū)域，應(yīng)用k或雷諾應(yīng)力關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)；CFD；耦合傳熱；有StudyofCouplingHeatTransferofWholeInternalCombustionYang Xu Xin Liu Li Chen1AutomobileEngineeringResearchInstitute,CheryAutomobileCo.,Ltd,Wuhu,241009,Abstract:ThedetailheattransferFEmodeloftheenginecomponentsorthewholeenginehavebeenestablished.Thewholeenginemodelincludescylinderhead,sparkplug,intakeandexhaustvalve,cylinderbody,gasket,bedplateandsoon.Thecontactthermalresistancehasbeenconsideredbetweenthesurfaces.Thefluidboundaryhasbeendividedintolaminarandturbulentflowregions,andtheconvectiveheattransferbetweenthecoolingjacketandthewaterhasksimulatedorReynolds-stressmodelwiththeAVL-FIREsoftware.TheheattransferboundaryconditionsthecombustionchambersurfaceshavebeendefinedbycombiningthethermodynamicssimulationwiththeAVL-BOOSTsoftwareandtheexperimentalexperience.Atlast,theheattransferboundaryconditionsoftheenginehavebeenestablishedbyprojectingthesimulatedconvectiveboundaryconditionsbyCFDonthestructuralelementsurfaces.Themethodhasbeenusedtocalculatethethermalloadofthecylinderheads,exhaustmanifoldsandwholeengines,thesimulatedresultsareingoodagreementwiththemeasuredvalues(temperature).Itcanbeemployedtodiagnosethehighthermalmalfunction,modifythestructureandevaluatetheenginestructureduringthedetaildesignphase.Keywords:Internalcombustionengine;CFD;Couplingheattransfer;Finite耦合方法，采用AVL-FIRE、AVL-BOOST和ABAQUS軟隨著不可再生能源的日益枯竭以及環(huán)保法規(guī)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)初期進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)整機(jī)熱負(fù)荷全仿真模擬，已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中最關(guān)鍵的技術(shù)之1采用k湍流模型來(lái)計(jì)算冷卻水套與壁面、k湍流模型的輸運(yùn)方程為 k(,d,p,f(k) (kui) kxj式(8)中，AB點(diǎn)的溫度均值；dABGkGbYM和f間的距離，p為AB點(diǎn)的接觸壓力 k(,d,p,f(k) (kui) kxj式(8)中，AB點(diǎn)的溫度均值；dABGkGbYM和f間的距離，p為AB點(diǎn)的接觸壓力 為關(guān)rt()x(ui)x將 簡(jiǎn)化為間隙距離的函數(shù)j jiC(GCG)段處理后得到壁面邊界條件。本文工程計(jì)算時(shí)， 3 kk式(1)和式(2k為湍動(dòng)能；為耗散率；Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能，Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能，YM表示膨脹耗散項(xiàng)C1、C2C為常數(shù)。k、kSSK層流區(qū)域的換熱系數(shù)為c2htc P1/4缸蓋、火花塞、進(jìn)排r r yc yhtc m1P.lnE.yPr式(4)中，K為卡門(mén)常數(shù)；E為常數(shù)；P.ymmm2T2Tx y z式(6)中，T為溫度，x、y、z為笛卡爾坐標(biāo)分量。穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)導(dǎo)熱控制方程滿(mǎn)足三類(lèi)邊界條件（溫 k( 式(7)q的熱流；和分別為Ａ點(diǎn)和Ｂ點(diǎn)的溫度 圖 DSI發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋有限元模2.3圖 DSI發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋有限元模2.3采用k湍流模型分析水套冷卻液的流動(dòng)和2.22.3圖SSIDSI發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的環(huán)境溫度及對(duì)流換熱B圖 DSI發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋傳熱邊界條從圖中可以看出，SSIDSI缸蓋水套壁面環(huán)熱系數(shù)在分布上基本一燃燒室工質(zhì)溫度為1127℃，對(duì)流換熱系數(shù)652W/m2k650300W/m2k。導(dǎo)套與缸蓋、火取15000W/m2k；氣門(mén)與導(dǎo)套間采用接觸模型，接觸面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取1500W/m2k。ABSSIA圖 DSI發(fā)動(dòng)圖 DSI發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋溫度場(chǎng)分溫度為229oC，最高溫度區(qū)域出現(xiàn)在火花塞靠近排DSI223oC，在火花塞附近和鼻梁中部出現(xiàn)三個(gè)高溫區(qū)域，鼻梁中部最高溫度為SSI發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)行了溫度測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)分布及各2.62.7圖示了測(cè)試點(diǎn)的測(cè)量圖 SSI缸蓋燃燒室熱應(yīng)力分2.8中可以看出，最高熱應(yīng)力出現(xiàn)在火花力位于鼻梁中部偏排氣道側(cè)，為140MPa。圖圖 SSI發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋溫度場(chǎng)測(cè)量圖 DSI缸蓋燃燒室熱應(yīng)力分部偏排氣道側(cè)，為190MPa。2.72.52.6從分析過(guò)程和分析結(jié)果可以得到如下幾條結(jié)論：(1)機(jī)熱負(fù)荷是一種比較精確的方法；(3)145MPa33.1機(jī)熱負(fù)荷是一種比較精確的方法；(3)145MPa33.1本文采用流固耦合方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的CFD技術(shù)CFD分析的邊界條件。通過(guò)多次迭代計(jì)算，得到排氣歧管穩(wěn)定的溫度場(chǎng)并計(jì)算其熱應(yīng)力。文為了保證流體邊界條件和固體邊界條件之間的影殼網(wǎng)格的厚度取0.001mm，從而保證殼網(wǎng)格的厚度3.21.m加厚到4m。取大小適宜的空間作為發(fā)動(dòng)機(jī)外流場(chǎng)計(jì)算算模型，圖3.3圖示了排氣歧管局部網(wǎng)格。3.43.43.4表面溫度作為CFD計(jì)算的邊界條件進(jìn)行CFD分析，8次迭代后，結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的溫度場(chǎng)前后2次計(jì)3.93.10圖示了排氣歧管兩個(gè)熱應(yīng)力460MPa動(dòng)機(jī)熱力學(xué)分析程序計(jì)算一個(gè)循環(huán)內(nèi)排氣歧管的3.109可以看出，區(qū)域1出9可以看出，區(qū)域1出現(xiàn)應(yīng)力集中，原因1、2的熱應(yīng)力集中，從而導(dǎo)20mm的改3.113.12圖示了采用上述方法3.133.113.143.133.1413.6通過(guò)本文的研究可以得到如下結(jié)論：(1)采用流固耦合的分析方法可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)及部件較準(zhǔn)機(jī)的開(kāi)發(fā)周期，并降低開(kāi)發(fā)成本；(2)對(duì)于高熱負(fù)3.12后最高應(yīng)力值為312MPa（見(jiàn)圖311。但是，原求；⑶由于缺乏材料特性隨溫度變化的數(shù)據(jù)，因4整機(jī)熱負(fù)荷模擬存在三大難題：①?gòu)?fù)雜對(duì)流求；⑶由于缺乏材料特性隨溫度變化的數(shù)據(jù)，因4整機(jī)熱負(fù)荷模擬存在三大難題：①?gòu)?fù)雜對(duì)流才能得到較準(zhǔn)確的簡(jiǎn)化模型；③問(wèn)題求解規(guī)模的格，數(shù)十萬(wàn)單元的高階結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；④涉及的學(xué)科圖 采用k湍流模型分析液體的流動(dòng)和傳熱CFD分析，可以計(jì)算出冷卻4.CFD分析模1234.３內(nèi)燃機(jī)冷卻水套壁面換熱系數(shù)通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算并結(jié)合試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)確定氣缸套4.4圖 4.7圖示了缸體的溫度場(chǎng)分布情況，從圖中1圖 4.7圖示了缸體的溫度場(chǎng)分布情況，從圖中1、22、33、4缸之4圖 4.4210圖 最高溫度為210oC，出現(xiàn)在第4缸。4.5～4.8顯示：整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度場(chǎng)能滿(mǎn)圖 造成的?；鸹ㄈ淖罡邷囟葹?50.6oC。4.5圖 4.6圖示了進(jìn)排氣閥的溫度場(chǎng)分布情況，從724oC，同樣，進(jìn)氣閥接近圓心處也出現(xiàn)最高溫度，達(dá)到663oC，進(jìn)氣閥的最高溫度比進(jìn)氣閥最高溫度高2422024.6AB圖 4.6AB圖 AB圖 A4.7設(shè)計(jì)期間應(yīng)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)在各種組合工況下的BB.E.LaunderB.E.LaunderandD.B.Spalding.Lecturesinmathematicalmodelsofturbulence.AcademicPress,London,1972.Schlichting,H.,Boundarylayertheory, McGraw-HillBookCompany,NewYork,1968..YangWanli,ChenYanandZhengXiaoling,SimulationofcouplingheattransferofcomponentsysteminICEcombustionchamber