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用耦合法分析研究發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)傳熱

趙亞茹，張翼，李博

（中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，太原030051）

摘要利用FLUENT分析軟件對發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)傳熱進行了仿真模擬。以所建立的某柴油機耦合傳熱系統(tǒng)為例進行了仿真計算，得到了耦合系統(tǒng)（活塞、缸套、冷卻水套）的溫度場等相關(guān)信息。計算結(jié)果表明，用耦合法模擬柴油機活塞組、缸套和冷卻水之間的穩(wěn)態(tài)傳熱是可行的。

關(guān)鍵詞：柴油機耦合溫度場穩(wěn)態(tài)傳熱

來稿日期：2015-04-02基金項目：中北大學(xué)?；穑?0141116）

1　引言

發(fā)動機穩(wěn)態(tài)傳熱是指缸內(nèi)燃氣通過燃燒室壁面把熱量傳遞給冷卻介質(zhì)[1]。隨著工業(yè)技術(shù)的進步和傳熱學(xué)的發(fā)展，燃燒室的單個零部件（活塞、缸套和缸蓋）溫度場的計算及分析方法已相當(dāng)成熟。近幾年來，越來越多的學(xué)者已經(jīng)開始研究發(fā)動機的整機耦合，即把缸內(nèi)燃氣與燃燒室整體部件（缸蓋－缸套－活塞組）的三維模型耦合起來，進而實現(xiàn)真正意義上的發(fā)動機傳熱過程全仿真模擬[2]。本文主要研究了發(fā)動機活塞組－缸套－冷卻水耦合系統(tǒng)之間的傳熱，難點在于其邊界條件的確定。通過采用耦合傳熱的方法，可以將零件之間復(fù)雜的外邊界條件轉(zhuǎn)化為相對簡單的內(nèi)邊界條件，只對耦合系統(tǒng)定義外邊界即可模擬發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)傳熱[3]。

2　理論依據(jù)及基本假設(shè)

在進行發(fā)動機穩(wěn)態(tài)傳熱研究的過程中，活塞頂面的邊界條件可以由經(jīng)驗公式獲得；而活塞側(cè)面邊界條件，由于傳熱情況的復(fù)雜性無法直接給出。因此，本文使用活塞組－缸套－冷卻水耦合系統(tǒng)，模擬其傳熱情況，傳熱關(guān)系如圖1所示。從圖中可以看出，燃氣把熱量傳給活塞和缸套，然后通過潤滑油和冷卻水將熱量傳出。活塞組與缸套之間通過動接觸傳熱，可忽略潤滑油膜的對流傳熱作用，而將其簡化為一維熱阻，缸套與冷卻水之間則用流固耦合的方式，模擬其傳熱過程[4]。

本文在模擬仿真時，作了以下幾點假設(shè)：（1）忽略活塞的橫向擺動，只考慮活塞的往復(fù)直線運動；（2）活塞和缸套間的潤滑油膜厚度均勻；（3）活塞環(huán)充滿活塞環(huán)槽，忽略活塞環(huán)與環(huán)槽之間的燃氣泄漏；（4）冷卻水的壓力和流速視為恒定值[5]。

3　耦合傳熱模型的建立

本文以某柴油機為例，計算了其在標定工況下活塞組－缸套－冷卻水耦合系統(tǒng)的傳熱情況。該發(fā)動機具體參數(shù)如表1所示。

圖1　耦合系統(tǒng)傳熱示意圖

在PRO/E三維繪圖軟件中分別建立了單缸的活塞組、缸套和冷卻水的三維模型，然后將冷卻水模型嵌入到固體模型中，組成了一個完整的固、流耦合系統(tǒng)。使用ANSYS ICEM CFD軟件對各模型劃分網(wǎng)格。在劃分網(wǎng)格的過程中，將活塞組－缸套、缸套－冷卻水貼合的雙壁面處理成公用面，從而實現(xiàn)了固固耦合、流固耦合的計算；然后用FLUENT軟件將各部件網(wǎng)格組裝起來。各部件及耦合系統(tǒng)的計算網(wǎng)格如圖2所示。由于耦合系統(tǒng)中各零部件材料不同，在模擬仿真時，需分別輸入各零件的材料參數(shù)。各部件的物性參數(shù)如表2所示。

表1　柴油機主要參數(shù)

表2　各零件材料物性參數(shù)

4　傳熱邊界條件

4.1活塞組換熱邊界條件

圖2　各部件及耦合系統(tǒng)計算網(wǎng)格

在進行活塞組－缸套－冷卻水耦合傳熱系統(tǒng)研究時，需要確定燃氣與活塞、燃氣與缸套和潤滑油與活塞之間的換熱邊界條件。燃氣與活塞、燃氣與缸套采用對流換熱邊界。氣缸內(nèi)當(dāng)量循環(huán)平均燃氣溫度及當(dāng)量循環(huán)平均換熱系數(shù)的計算公式為：

式中，

φ——曲軸轉(zhuǎn)角；

Tg——當(dāng)量循環(huán)平均燃氣溫度；

hg——當(dāng)量循環(huán)平均燃氣換熱系數(shù)；

Tg——缸內(nèi)瞬時燃氣溫度；

hg——缸內(nèi)瞬時燃氣換熱系數(shù)。

其中，Tg和hg可由發(fā)動機缸內(nèi)工作過程模擬計算得出。

活塞底部與潤滑油之間的噴濺冷卻換熱計算所需的溫度，使用油腔內(nèi)潤滑油的溫度，根據(jù)同系列發(fā)動機的試驗數(shù)據(jù)，此處取T=365 K，活塞底部與潤滑油之間的噴濺冷卻換熱系數(shù)計算公式為：

式中，

qvp——冷卻噴嘴噴向活塞底部的潤滑油量；

tm——冷卻側(cè)活塞壁面的平均溫度。

對于活塞組側(cè)面、潤滑油膜、缸套內(nèi)側(cè)的傳熱，由第2節(jié)中的理論依據(jù)和假設(shè)可得，可以將潤滑油膜簡化為一維熱阻，進而活塞組與缸套的換熱可用下式描述：

式中，

姿oil——潤滑油膜的導(dǎo)熱系數(shù)；

啄oil——潤滑油膜厚度；

Tp、TL——活塞組與缸套對應(yīng)位置溫度。

4.2缸套換熱邊界條件

對于缸套與活塞組、缸套與冷卻水的接觸面，其為系統(tǒng)的內(nèi)邊界，采用耦合傳熱的方式描述，無需定義。對于缸套的其他區(qū)域，均采用第一類邊界條件（即規(guī)定了邊界上的溫度值），其溫度根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定。

4.3冷卻水流動、換熱邊界條件

水套處冷卻水入口邊界條件采用速度入口邊界條件（velocity-inlet），即需要確定冷卻水的流速及溫度。冷卻水出口則選擇自由邊界條件（outflow），即無需定義流動出口的任何條件。耦合仿真模型中，最終施加的邊界條件如表3所示。

表3　耦合系統(tǒng)邊界條件

5　數(shù)值仿真結(jié)果

通過以上數(shù)值模擬，得到耦合系統(tǒng)的溫度場分布云圖如圖3所示。從圖中可以看出，耦合系統(tǒng)的最高溫度為603 K，出現(xiàn)在排氣門側(cè)活塞頂面倒角處，最低溫度出現(xiàn)在入水口處。從圖4耦合系統(tǒng)仿真溫度場的切片云圖可以看出，耦合系統(tǒng)中活塞溫度最高；而且由于潤滑油的噴濺冷卻，活塞底部、裙部等處的溫度急劇下降。

圖4　耦合仿真系統(tǒng)溫度切片云圖

從圖5缸套的溫度分布云圖可以看出，缸套上部由于受到高溫燃氣的直接加熱，其溫度可達507 K，明顯高于下部的溫度（376 K左右）。圖6、圖7為水套的速度矢量圖和水套壓力分布圖。從圖6和圖7中可以看出，冷卻水壓力分布不均勻，且冷卻水的最高流速為2.7 m/s；入水口與出水口速度較快，導(dǎo)致缸套上部沒有形成良好的環(huán)流。由于冷卻水壓力、流速分布不均勻，使缸套的溫度在軸向是不對稱分布的。

圖6　水套壓力分布云圖

圖8　活塞溫度場云圖

從圖8活塞的溫度分布云圖可以看出，活塞溫度由上到下逐漸降低，并且變化較為劇烈；最高溫度達603 K，出現(xiàn)在活塞頂面倒角處，而最低溫度為370 K左右，這是由活塞的工作環(huán)境決定的。一方面，活塞頂與高溫燃氣直接接觸，受到最高燃氣的高速沖刷，使活塞頂面的溫度較其他區(qū)域高；另一方面，活塞頂距振蕩油腔較遠，換熱環(huán)境惡劣。而活塞底部、裙部等處由于噴濺冷卻得到了較好的冷卻，因而溫度較低。

圖9為活塞內(nèi)腔的溫度云圖，可以看出活塞內(nèi)腔的溫度沿軸向、徑向均逐漸降低；而且中心區(qū)域溫度降低比四周區(qū)域快，主要是受振蕩冷卻油道和底部噴油冷卻的共同影響。

6　降低活塞熱負荷的主要途徑

活塞溫度過高或熱應(yīng)力過大是導(dǎo)致活塞發(fā)生頂部變形等故障的直接原因，

圖9　活塞內(nèi)腔溫度分布云圖

（1）減少活塞的熱量來源?；钊?shù)臒崃縼碜杂诟變?nèi)的高溫燃氣。因此，對活塞頂部進行相應(yīng)的處理，比如進行硬膜陽極氧化等，可起到阻擋燃氣向活塞的傳熱，降低活塞頂?shù)臏囟?，進而減少活塞的熱量來源。

（2）強化活塞的冷卻。從圖1可以看出，缸內(nèi)燃氣傳給活塞的熱量最終由冷卻水和潤滑油帶走。因此，為了降低活塞的熱負荷，應(yīng)在保證發(fā)動機功率的前提下，對其換熱進行強化，如合理布置冷卻水道、增加潤滑油對活塞內(nèi)腔和振蕩油腔的潤滑與換熱等。

7　結(jié)論

（1）通過忽略潤滑油膜的對流換熱作用，將其簡化為一維熱阻，建立了活塞組－缸套－冷卻水耦合傳熱系統(tǒng)模型，較好地處理了模型間難以處理的邊界條件，僅對系統(tǒng)定義外邊界即可模擬發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)傳熱，簡化了計算過程，提高了計算精度。

（2）用耦合法可以獲得活塞組－缸套－冷卻水耦合傳熱系統(tǒng)的溫度場分布，水套的流場分布、壓力損失等信息，這些信息對發(fā)動機的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

（3）分析了降低活塞熱負荷的主要途徑，為發(fā)動機冷卻及優(yōu)化提供了思路。

參考文獻

[1]白敏麗，沈勝強，陳家驊等.內(nèi)燃機傳熱全仿真模擬研究進展綜述[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2000，18（1）：96-99.

[2]荊碧舟，韓振南.缸套-活塞組耦合傳熱的有限元分析[J].中國農(nóng)機化學(xué)報，2013，34（4）：184-187，145.

[3]辛喆，張克鵬，謝斌等.耦合法用于柴油機冷卻系統(tǒng)傳熱的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（1）：177-181.

[4]白敏麗，丁鐵新，呂繼組.活塞組-氣缸套耦合傳熱模擬[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2005，23（2）：168-175.

[5]李迎，俞小莉，李婷等.活塞-缸套瞬態(tài)耦合傳熱的有限元仿真[J].浙江大學(xué)學(xué)報，2007，41（2）：347-355.

[6]馮長征，祖炳鋒，徐玉梁等.基于流固耦合的國Ⅴ柴油機缸蓋穩(wěn)態(tài)傳熱研究[J].內(nèi)燃機工程，2014，35（6）：90-95.

Study on Steady Heat Transfer in Engine by Coupling Methods

Zhao Yalu, Zhang Yi, Li Bo

（North University of China, Taiyuan 030051, China）

Abstract:Simulation of steady heat transfer in engine was conducted by using FLUENT software. For the simulation, a coupled heat transfer system of a diesel engine was built. The temperature field and other related information of the coupling system (piston, cylinder liner, cooling water jacket) were obtained from the simulation. The results indicate that the coupling methods can solve the steady heat transfer among piston, liner, and cooling water of diesel engine.

Key words:diesel engine, coupling, temperature field, steady heat transfer

作者簡介：趙亞茹（1991-），女，在讀研究生，主要研究方向為發(fā)動機總體技術(shù)及結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.02.003