采用軟件進行發(fā)動機流固耦合分析

楊萬里許敏辛軍劉國楊萬里許敏辛軍劉國慶李修蓬奇瑞汽車有限公司汽車工程研究院，安徽蕪湖：建立內(nèi)燃機部件或者整機詳細的傳熱分析模型，整機模型包括缸蓋、火花塞、進排氣門、缸體、汽缸墊及框架的詳細有限元模型?？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；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)燃機設(shè)計初期進行內(nèi)燃機整機熱負荷全仿真模擬，已經(jīng)成為內(nèi)燃機設(shè)計過程中最關(guān)鍵的技術(shù)之1采用k湍流模型來計算冷卻水套與壁面、k湍流模型的輸運方程為 k(,d,p,f(k) (kui) kxj式(8)中，AB點的溫度均值；dABGkGbYM和f間的距離，p為AB點的接觸壓力 k(,d,p,f(k) (kui) kxj式(8)中，AB點的溫度均值；dABGkGbYM和f間的距離，p為AB點的接觸壓力 為關(guān)rt()x(ui)x將 簡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。本文工程計算時， 3 kk式(1)和式(2k為湍動能；為耗散率；Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能，Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動能，YM表示膨脹耗散項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、進排r r yc yhtc m1P.lnE.yPr式(4)中，K為卡門常數(shù)；E為常數(shù)；P.ymmm2T2Tx y z式(6)中，T為溫度，x、y、z為笛卡爾坐標分量。穩(wěn)態(tài)溫度場導(dǎo)熱控制方程滿足三類邊界條件（溫 k( 式(7)q的熱流；和分別為Ａ點和Ｂ點的溫度 圖 DSI發(fā)動機缸蓋有限元模2.3圖 DSI發(fā)動機缸蓋有限元模2.3采用k湍流模型分析水套冷卻液的流動和2.22.3圖SSIDSI發(fā)動機缸蓋的環(huán)境溫度及對流換熱B圖 DSI發(fā)動機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℃，對流換熱系數(shù)652W/m2k650300W/m2k。導(dǎo)套與缸蓋、火取15000W/m2k；氣門與導(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)動圖 DSI發(fā)動機缸蓋溫度場分溫度為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)三個高溫區(qū)域，鼻梁中部最高溫度為SSI發(fā)動機缸蓋進行了溫度測試，測試點分布及各2.62.7圖示了測試點的測量圖 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)動機缸蓋溫度場測量圖 DSI缸蓋燃燒室熱應(yīng)力分部偏排氣道側(cè)，為190MPa。2.72.52.6從分析過程和分析結(jié)果可以得到如下幾條結(jié)論：(1)機熱負荷是一種比較精確的方法；(3)145MPa33.1機熱負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發(fā)動機排氣歧管的CFD技術(shù)CFD分析的邊界條件。通過多次迭代計算，得到排氣歧管穩(wěn)定的溫度場并計算其熱應(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)動機外流場計算算模型，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計算的邊界條件進行CFD分析，8次迭代后，結(jié)構(gòu)溫度場節(jié)點的溫度場前后2次計3.93.10圖示了排氣歧管兩個熱應(yīng)力460MPa動機熱力學(xué)分析程序計算一個循環(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)動機及部件較準機的開發(fā)周期，并降低開發(fā)成本；(2)對于高熱負3.12后最高應(yīng)力值為312MPa（見圖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整機熱負荷模擬存在三大難題：①復(fù)雜對流求；⑶由于缺乏材料特性隨溫度變化的數(shù)據(jù)，因4整機熱負荷模擬存在三大難題：①復(fù)雜對流才能得到較準確的簡化模型；③問題求解規(guī)模的格，數(shù)十萬單元的高階結(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和傳熱CFD分析，可以計算出冷卻4.CFD分析模1234.３內(nèi)燃機冷卻水套壁面換熱系數(shù)通過熱力學(xué)計算并結(jié)合試驗經(jīng)驗確定氣缸套4.4圖 4.7圖示了缸體的溫度場分布情況，從圖中1圖 4.7圖示了缸體的溫度場分布情況，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：整個發(fā)動機的溫度場能滿圖 造成的?；鸹ㄈ淖罡邷囟葹?50.6oC。4.5圖 4.6圖示了進排氣閥的溫度場分布情況，從724oC，同樣，進氣閥接近圓心處也出現(xiàn)最高溫度，達到663oC，進氣閥的最高溫度比進氣閥最高溫度高2422024.6AB圖 4.6AB圖 AB圖 A4.7設(shè)計期間應(yīng)計算發(fā)動機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