杜憲峰， 李志勇， 梁興雨， 王俊文

(1. 遼寧工業(yè)大學(xué)省汽車振動(dòng)與噪聲工程技術(shù)研究中心， 遼寧 錦州 121001；2. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072； 3. 東風(fēng)朝陽朝柴動(dòng)力有限公司， 遼寧 朝陽 122000)

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基于CAE技術(shù)的氣缸蓋流固耦合溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)研究

杜憲峰1,2,3， 李志勇3， 梁興雨2， 王俊文1

(1. 遼寧工業(yè)大學(xué)省汽車振動(dòng)與噪聲工程技術(shù)研究中心， 遼寧 錦州 121001；2. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072； 3. 東風(fēng)朝陽朝柴動(dòng)力有限公司， 遼寧 朝陽 122000)

采用合理有效的CAE技術(shù)實(shí)現(xiàn)了氣缸蓋溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，采用多軟件、多場(chǎng)耦合技術(shù)，并結(jié)合多次迭代分析方法確保溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確可靠。研究結(jié)果表明，基于性能仿真計(jì)算(AVL-Boost軟件)與水循環(huán)試驗(yàn)分析可獲得氣缸蓋流場(chǎng)仿真邊界條件，基于流場(chǎng)仿真分析(AVL-Fire軟件)可獲得氣缸蓋溫度場(chǎng)仿真邊界條件，基于流固耦合分析(Abaqus軟件)可獲得氣缸蓋溫度場(chǎng)，多次迭代計(jì)算獲得的溫度場(chǎng)經(jīng)試驗(yàn)分析驗(yàn)證了預(yù)測(cè)流程的合理性，為物理樣機(jī)溫度場(chǎng)的影響因素與改善措施分析奠定了基礎(chǔ)。

流固耦合； 仿真； 預(yù)測(cè)； 溫度場(chǎng)； 氣缸蓋

氣缸蓋是內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)中較為復(fù)雜的部件，用于密封氣缸的頂部，與活塞頂面及氣缸內(nèi)壁共同組成內(nèi)燃機(jī)的燃燒空間，是柴油機(jī)中工作條件最為惡劣的零部件之一，所承受的熱應(yīng)力較大，易發(fā)生裂紋，其強(qiáng)度可靠性問題就成為柴油機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，而溫度大小及分布又是影響氣缸蓋結(jié)構(gòu)可靠性的重要因素[1-2]。

我的個(gè)人生活從2015年秋天開始轉(zhuǎn)變，此前，我以為自己乃至身邊人的一生，如一列裝載著親情、瑣碎、痛楚、矛盾、幸福、合作、悲傷、愉悅的高速列車。在時(shí)間的軸線上，無數(shù)顏色和內(nèi)涵基本雷同的列車，大同小異，方向一致地奔行，再不會(huì)變軌和改道。然而，我錯(cuò)了。先是近26年的工作徹底變動(dòng)。這對(duì)已經(jīng)中年的我，并不算什么。對(duì)既往容身的集體，我心懷感激。即使離開，特別是響應(yīng)一種合乎發(fā)展之道的指令，我覺得個(gè)人應(yīng)當(dāng)予以配合，一點(diǎn)都不驚慌失措。因?yàn)?，基本的生存已?jīng)不是問題，況且，我從沒有奢望過多么豪華的物質(zhì)生活，也沒有渴望過一呼萬應(yīng)的權(quán)力。

目前，研究學(xué)者主要采用虛擬仿真技術(shù)分析氣缸蓋溫度場(chǎng)問題，并取得了較好的研究成果[3-5]。然而，由于溫度場(chǎng)計(jì)算受到多種邊界條件的影響，這就造成了溫度場(chǎng)計(jì)算過程中存在較多的不確定因素及計(jì)算誤差，使得氣缸蓋溫度場(chǎng)計(jì)算工作具有太多的盲目性。因此，本研究綜合考慮了計(jì)算過程多軟件、多場(chǎng)耦合分析方法的相互協(xié)調(diào)，通過性能仿真計(jì)算、冷卻水試驗(yàn)測(cè)量、缸內(nèi)及水套流場(chǎng)仿真計(jì)算、氣缸蓋流固耦合分析，并通過多次迭代計(jì)算實(shí)現(xiàn)氣缸蓋溫度場(chǎng)的合理預(yù)測(cè)，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果也驗(yàn)證了溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)方法及流程的有效性。

本設(shè)計(jì)選用電容參數(shù)為150 μF，ESR為12 mΩ，將兩個(gè)相同電容并聯(lián)接入電路，以進(jìn)一步降低ESR。

1 柴油機(jī)性能仿真計(jì)算

以某4缸柴油機(jī)為樣機(jī)，其標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2 600 r/min，標(biāo)定功率為125 kW。采用AVL-Boost軟件建立標(biāo)定工況條件下發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真分析模型(見圖1)。同時(shí)，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)所建立的分析模型進(jìn)行修正，確保了性能仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。發(fā)動(dòng)機(jī)性能虛擬預(yù)測(cè)與試驗(yàn)測(cè)試的對(duì)比分析結(jié)果見圖2。由性能仿真計(jì)算獲得了柴油機(jī)進(jìn)氣、排氣和進(jìn)排氣燃燒的邊界條件，為柴油機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)仿真分析計(jì)算提供了邊界條件。

2 缸內(nèi)及水套流場(chǎng)仿真計(jì)算

柴油機(jī)缸內(nèi)工作過程指從進(jìn)氣至排氣結(jié)束，包括噴霧、燃燒、物質(zhì)傳輸和排放物生成等一系列瞬變和多場(chǎng)耦合過程，是各種熱機(jī)和燃燒裝置中最為復(fù)雜的過程[6]。本研究采用AVL-Fire軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)缸內(nèi)工過程進(jìn)行仿真計(jì)算，并采用多區(qū)域計(jì)算方法確保進(jìn)、排氣道溫度的準(zhǔn)確性。不同曲軸轉(zhuǎn)角下缸內(nèi)流動(dòng)仿真分析模型見圖3。

采用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)數(shù)資料以例數(shù)（n）、百分?jǐn)?shù)（%）表示，采用x2檢驗(yàn)；計(jì)量資料以“ ±s”表示，采用t檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

采用Hypermesh軟件建立氣缸蓋有限元分析模型，缸蓋材料為HT250，密度7.8×103kg/m3，彈性模量為115 GPa，泊松比為0.26，線性膨脹系數(shù)為11×10-6K-1，熱導(dǎo)率為46 W/(m·K)。提取缸蓋溫度場(chǎng)計(jì)算所需映射的殼網(wǎng)格，導(dǎo)入到AVL-Fire軟件中進(jìn)行映射，得到缸蓋溫度場(chǎng)計(jì)算所需的相應(yīng)溫度值和傳熱系數(shù)。水套及缸內(nèi)熱邊界條件見圖6。

由圖7計(jì)算結(jié)果可知，初始結(jié)果中缸蓋最高溫度為324.6 ℃，經(jīng)過多次迭代計(jì)算后缸蓋最高溫度降至313.4 ℃，該仿真計(jì)算共進(jìn)行了4次迭代，迭代2次后缸蓋溫度基本不再發(fā)生變化，缸蓋最高溫度與迭代次數(shù)的關(guān)系見表1。最高溫度出現(xiàn)在四缸排氣門附近，且排氣門附近有明顯的溫度梯度，這是由于第4缸處于缸蓋水套的末端，流速有所降低，受缸內(nèi)燃燒工質(zhì)、高溫排氣以及水套流場(chǎng)均勻性的影響。

柴油機(jī)水套由缸體和缸蓋較復(fù)雜的內(nèi)部水腔組成，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分組劃分，對(duì)缸蓋水孔處等重點(diǎn)部位進(jìn)行了細(xì)化，網(wǎng)格規(guī)模約2.2×106個(gè)。水套流場(chǎng)仿真分析模型見圖5。

采用Abaqus軟件對(duì)缸蓋溫度場(chǎng)進(jìn)行流固耦合計(jì)算，獲得缸內(nèi)壁面和水套壁面溫度結(jié)果，并將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用到缸內(nèi)流動(dòng)仿真和水套流場(chǎng)仿真分析計(jì)算中；將計(jì)算獲得的相應(yīng)壁面溫度及傳熱系數(shù)再一次應(yīng)用到缸蓋溫度場(chǎng)流固耦合計(jì)算中，如此反復(fù)迭代直至缸蓋溫度場(chǎng)不再發(fā)生變化。氣缸蓋溫度場(chǎng)計(jì)算分析結(jié)果見圖7。

為使缸內(nèi)流動(dòng)仿真計(jì)算過程盡快達(dá)到收斂并提高計(jì)算精度，需要設(shè)定合理的初始條件，起始時(shí)的溫度、壓力、殘余廢氣系數(shù)等參數(shù)可由性能仿真計(jì)算分析獲得。同時(shí)，其邊界條件可通過性能仿真計(jì)算獲得，即進(jìn)氣道入口與排氣道出口可給定瞬時(shí)流量和溫度，進(jìn)排氣道、進(jìn)排氣門、氣缸、活塞、燃燒室可設(shè)定為固定壁面，壁面絕熱無滑移。

3 氣缸蓋溫度場(chǎng)仿真計(jì)算

對(duì)于計(jì)算過程而言，氣道和缸內(nèi)的氣體可認(rèn)為是可壓縮黏性湍流流動(dòng)，計(jì)算方法采用Simple算法，湍流模型為k-ξ-f模型；動(dòng)量方程選用MINMOD Relaxed，揉合因子為0.9，連續(xù)方程選擇Central Differencing，揉合因子為1。對(duì)于燃燒噴霧設(shè)置而言，燃油蒸發(fā)模型為Dukowicz模型，破碎模型為Wave模型，燃燒模型為Eddy Break-up Model模型；點(diǎn)火模型為Diesel_MIL模型。柴油機(jī)采用8孔噴油器，孔徑0.128 mm，噴霧錐角及噴霧夾角均為不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

仿真模型邊界條件的具體參數(shù)如下：進(jìn)口處水泵流量305 kg/min，溫度90 ℃；EGR冷卻器進(jìn)口流量56 kg/min，暖風(fēng)進(jìn)口流量56 kg/min，空氣壓縮機(jī)進(jìn)口流量8.8 kg/min；出口壓力梯度為0；缸蓋水套壁面溫度120 ℃，缸體水套壁面溫度100 ℃，機(jī)油冷卻器水套壁面溫度110 ℃，節(jié)溫器水套壁面溫度110 ℃；流體為50%水和50%添加劑(GLYCOL) 構(gòu)成的混合物。

2.3 生物多樣性降低及生態(tài)系統(tǒng)受損 三峽水庫運(yùn)行以來，庫岸原有陸生植被難以適應(yīng)水位消漲的惡劣環(huán)境，逐漸消亡或變異，生物多樣性降低，同時(shí)生態(tài)系統(tǒng)類型減少，結(jié)構(gòu)脆弱、功能退化。

在水循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)出口的流量、壓力與溫度數(shù)據(jù)可為水套流場(chǎng)仿真計(jì)算提供邊界條件。為了確保缸蓋溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)分析具有準(zhǔn)確的缸內(nèi)邊界條件，需確保缸內(nèi)流動(dòng)仿真計(jì)算獲得的缸內(nèi)溫度、壓力、放熱率曲線與性能仿真計(jì)算結(jié)果保持一致，并計(jì)算每1°曲軸轉(zhuǎn)角條件下的壁面溫度和傳熱系數(shù)。性能仿真和缸內(nèi)流動(dòng)仿真對(duì)比結(jié)果見圖4。

本研究利用所建立的指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，從東營(yíng)市5個(gè)系統(tǒng)，定量分析了東營(yíng)市2007—2016年綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展的綜合水平。2007—2016年東營(yíng)市綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展綜合得分見表2和圖2。

表1 缸蓋最高溫度與迭代次數(shù)的關(guān)系

硬度塞測(cè)溫法是利用經(jīng)過淬火的某些金屬材料在受熱后會(huì)產(chǎn)生永久性硬度變化來測(cè)量溫度。試驗(yàn)測(cè)量時(shí)四缸選取12個(gè)測(cè)點(diǎn)，并要求硬度塞頂面與被測(cè)平面相平齊。試驗(yàn)測(cè)試與仿真分析均為柴油機(jī)標(biāo)定工況，氣缸蓋溫度場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置見圖8。

試驗(yàn)測(cè)試完成后采用維氏硬度儀測(cè)量硬度，并與HV-T標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)比分析獲得相應(yīng)的溫度值。第4缸氣缸蓋溫度場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量與仿真計(jì)算對(duì)比分析結(jié)果見表2。由表2可知，12個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度值誤差均在10%以內(nèi)，符合工程誤差要求，最高溫度點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)6)的偏差僅為0.2%。

表2 第4缸試驗(yàn)測(cè)量與仿真計(jì)算對(duì)比分析結(jié)果

4 結(jié)論

a) 綜合考慮了計(jì)算過程多軟件、多場(chǎng)耦合方法的相互協(xié)調(diào)，通過性能仿真計(jì)算、缸內(nèi)及水套流場(chǎng)仿真計(jì)算、缸蓋流固耦合等分析流程，實(shí)現(xiàn)了基于CAE技術(shù)的氣缸蓋溫度場(chǎng)虛擬預(yù)測(cè)；

b) 采用多次迭代計(jì)算方法對(duì)氣缸蓋溫度場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，其最高溫度經(jīng)4次迭代計(jì)算后由324.6 ℃降至313.4 ℃，計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定，并通過試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；

c) 氣缸蓋溫度場(chǎng)虛擬預(yù)測(cè)的有效性為物理樣機(jī)的虛擬改進(jìn)設(shè)計(jì)與溫度場(chǎng)影響因素分析奠定了基礎(chǔ)，也為氣缸蓋溫度場(chǎng)在設(shè)計(jì)階段產(chǎn)品開發(fā)提供了參考。

[1] Xiqun Lu, Quan Li, Wenping Zhang， et al. Thermal analysis on piston of marine diesel engine[J].Applied Thermal Engineering,2013,50：168-176.

[2] 解茂昭.內(nèi)燃機(jī)計(jì)算燃燒學(xué)[M].大連:大連理工大學(xué)出版社，2005．

[3] Bemhard U,Friedrich B.Development of Engine Cooling Systems by Coupling CFD Simulation and Heat Exchanger Analysis Programs[C].SAE Paper 2001-02-1695.

[4] 李迎，陳紅巖，俞小莉.流固耦合仿真技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)工程, 2007,28(4):19-22.

[5] Ye J,Covey J.Coolant flow optimization in a racing cylinder block and head using CFD analysis and testing[C]. SAE Paper 2004-01-3542.

[6] 蘇萬華，趙華，王建昕，等.均質(zhì)壓燃低溫燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)理論與技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

[編輯: 李建新]

Prediction for Fluid-Solid Coupled Temperature Field of Cylinder Head Based on CAE Technology

DU Xianfeng1, 2, 3， LI Zhiyong3， LIANG Xingyu2， WANG Junwen1

(1. Automobile Vibration and Noise Engineering Technology Research Center of Liaoning Province， Liaoning University of Technology， Jinzhou 121001， China；2. State Key Laboratory of Engines， Tianjin University， Tianjin 300072， China；3. Dongfeng Chaoyang Diesel Co., Ltd.， Chaoyang 122000， China)

The temperature field of cylinder head was predicted with reasonable and effective CAE technology and the application of multi-software, multi-coupling and multi-iteration ensured the prediction accuracy The simulation boundary conditions for cylinder head flow and temperature field were acquired through AVL-Boost calculation and water circulation test, and AVL-Fire software analysis respectively.The temperature field of cylinder head was obtained through the fluid-solid coupling analysis by using Abaqus software, and the feasibility of temperature field prediction process was finally verified through multiple iterative calculation. The research laid the analysis foundation for the influencing factors of temperature field and improvement measures of physical prototype.

fluid-solid coupling; simulation; prediction; temperature field; cylinder head

2015-08-12;

2016-03-07

遼寧省博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目(20141200)； 遼寧省教育廳項(xiàng)目(L2015228)

杜憲峰(1984—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)振動(dòng)噪聲控制；ifengdoo@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.012

TK413.2

B

1001-2222(2016)03-0063-04