柴油机气缸盖流固耦合传热分析研究

兵工学报第２９卷

ｌ流固耦合传热分析及基本原理

对于某些流体与固体之间的对流换热问题，热边界条件无法预先给定，而是受到流体与壁面之间相互作用的制约【２】。这时无论界面上的温度还是热流密度都应看成是计算结果的一部分，而不是已知条件［３】。像这类热边界条件是由热量交换过程动态地加以决定而不能预先规定的问题，称为耦合传热问题。

流固耦合传热计算的关键是实现流体与固体或交界壁面处的热量传递。由能量守恒可知，在流固耦合界面处，固体传出的热量应等于流体吸收的热量。所以，可采用方程（１）描述这一守恒，即用该方程联接缸盖实体的Ｆｏｕｒｉｅｒ热传导方程和流体的对流换热控制方程

ａＴ

Ｋ酬羔ｌ，＝ｑ一＝＾一（Ｔｆ—Ｔ。）．（１）

……ＷＩ

式中：Ｋ。ｏｎｄ为固体的导热系数（ｗ／（ｍ?Ｋ））；＾。，为局部对流换热系数（ｗ／（ｍ２?Ｋ））；Ｔ，为流体温度（Ｋ）；Ｔ。为壁面温度（Ｋ）．

２耦合传热系统建模

目前，内燃机传热研究的一个重要方向是把缸内流动、燃烧、对流传热、辐射传热模型与燃烧室部件整体（缸盖一缸套一活塞组）耦合起来，进行整体模型仿真——内燃机传热的全仿真模拟。内燃机传热全仿真模拟的设想最初起源于对绝热柴油机的研究需要。虽然它是针对绝热机研究提出的，但它却是内燃机传热研究发展到一定阶段的必然结果。内燃机传热全仿真的实施还存在很多难点，国内外的研究人员在内燃机传热耦合仿真研究中，大部分还是从不同的侧面，选取局部系统进行的。本文采用整场离散、整场求解的方法，对缸盖与缸盖内冷却水道进行耦合传热分析。

２．１耦合传热系统的基本构成

在燃烧室周围主要受热零部件当中，缸盖所涉及到的流动与传热过程是最为复杂的一个。缸盖底板直接与缸内混合气相接触，两者之间在柴油机工作过程的不同阶段通过不同的方式进行热量交换，在短暂的柴油机工作循环周期内，高温燃气与缸盖之间的对流与辐射换热起决定性作用，其中局部高温区域可能发生沸腾换热。

排气门和气门座直接受到高温燃气的冲刷，承受着很高的热负荷。一般在较小缸径的柴油机上，排气门上的热量大部分足通过气门杆传给气门导管，传递的热量与气门杆和导管的间隙有关（４｜。从柴油机受热零部件的接触关系上看，该传热系统包括流体一固体之间的耦合（冷却水与缸盖）以及固体一固体之间的耦合（排气门导管与气缸盖）。耦合系统的基本构成冷却水、缸盖和排气门导管（铸铁）的物性参数如表１所示。

表１耦合系统基本构成的物性参数

Ｔａｂ．１ＴｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒＳｏｆｔｈｅ叫ｂｓｔａｎｃ鹤

ｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄｓｙｓｔｅｍ

２．２耦合传热系统建模

１）计算区域几何模型的建立

由于该型柴油机各缸缸盖的进水和出水相互独立，因此只选取３缸缸盖进行建模作为仿真对象，采用三维造型软件Ｐｍ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ建立缸盖和冷却水道几何模型，建立的缸盖实体模型与冷却水道几何模型和排气门导管实体模型不仅结构尺寸、形位关系准确完整，而且可实现三者的完全耦合，如图ｌ、图２、图３、图４所示。

图１单缸缸盖

Ｆｉｇ．１Ｓｉｎｇｌｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ

图２缸盖内冷却水道

Ｆｉｇ．２Ｃ∞ｌｉｎｇｗａｔｅｒｃｈａｎｎｅｌｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒ

ｈｅａｄ

第７期柴油机气缸盖流固耦合传热分析研究７７１

图３组合体

Ｆｉｇ．３觚ｅｍｂｌｅｄｓｙｓｔ哪

图４组合体框架

Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｆｒａｍｅｏｆｔｈｅａ弱ｅｍｂｌｅｄｓｙｓｔｅｍ

２）耦合传热系统物理模型的建立

除了考虑几何建模难度、网格人工耗时和网格质量对计算区域几何模型的影响所作的简化之外，计算机硬件条件、数值仿真的求解效率以及影响传热过程的主要特征是对物理模型进行简化所需遵循的基本原则［４｜。针对选取的耦合传热系统，对物理模型进行如下简化：

ａ．冷却水与缸盖之间的换热方式主要为对流换热，不计沸腾换热的影响；

ｂ．进气道壁面、排气道壁面以及缸盖火力面上各处热边界条件（流体温度、对流表面传热系数、热流密度）均随地点而变化，实际计算中结合经验公式和使用柴油机工作过程仿真的结果给定这些壁面的热边界条件；

ｃ．认为所截取的单缸缸盖在与之相邻的缸盖的接触面上没有热量交换，即缸盖两侧壁面为绝热壁面。

基于以上假设，本文对该流固耦合传热系统进行三维、稳定工况下的流动与传热仿真计算。

３几何模型网格划分及边界条件

选取的耦合传热系统仅是一个局部区域，其边界可分为外边界和内边界两部分。冷却水道和排气门导管与缸盖之间的界面是系统内部界面，无需定义边界条件。但在流固耦合界面处，选取的标准ｋ．￡模型只适用于湍流核心区域，在流动情况变化很大的粘性底层区域，选用标准壁面函数法处理耦合界面处的流动边界层和传热边界层。本文计算工况选为柴油机的额定功率工况。

３．１网格划分

在Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ中建立计算区域几何模型，将几何模型导入ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ中的ＣＦＸｍｅｓｈ模块进行网格划分。在划分网格之前应对导入的计算区域几何模型进行修复，采用四面体非结构化网格对缸盖及缸盖内冷却水道的几何模型进行区域离散；计算区域网格如图５所示，网格总数大约为１４０万。

图５耦合传热系统计算区域网格

Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｇｒｉｄｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄｓｙｓｔｅｍ

划分完网格之后，将缸盖内冷却水道（流体）各个表面与相邻的缸盖（固体）的各个表面逐一匹配、将两排气门导管的外表面与相应的缸盖的表面相匹配。缸盖内冷却水道底面耦合界面及排气道水侧面耦合界面分别如图６、图７所示。

图６缸盖内冷却水道耦合界面

Ｆｉｇ．６Ｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｗａｔｅｒａｎｄｓｏｌｉｄ

ｉｎｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ

３．２流动边界条件

流动边界条件主要包括入口、出口及壁面边界条件【５｜。冷却水入口采用速度入口边界条件，需要定义入口处冷却水流速、温度、湍流强度及湍流特征长度。根据该样机冷却水高温循环的设计要求，设定计算区域进水口处冷却水温度为３７８Ｋ，进口处冷却水流速为３．８６ｍ／ｓ．进口处湍动能Ｋ。、湍动

能耗散率￡。。由进口的来流速度“。。确定

兵工学报第２９卷

图７排气道水侧面耦合界面

Ｆｉｇ．７Ｔｈｅｉｎｔｅｌ。ｆａｃｅｏｆｗａｔｅｒａｎｄｓｏｌｉｄ

ｉｎｔｈｅｅｘｈａｕｓｔｐａｓ船ｇｅ

Ｋ。＝昔（０．０５“。）２．（２）

二

ｅ。＝Ｃ。Ｋ翟２／Ｌ．（３）式中：Ｌ为湍流特征长度，取为进水总管直径４０ｍｍ；Ｃ。为经验系数，取０．０９．

冷却水出口采用出流边界条件，该边界条件适用于出口处的流动是充分发展的情况，即意味着出流面上的流动情况由区域内部外推得到，对上游流动没有影响，只需定义出口处的参考压力，为使冷却水不产生沸腾以及参考某型装甲坦克设计参数取出口处的参考压力为２８８０９９Ｐａ．壁面采用无滑移壁面边界条件。

３．３传热边界条件

１）缸内燃气与气缸盖底板以及废气与排气道壁面之间的传热边界条件均采用第三类边界条件，即给定传热系数以及外部温度。

２）缸盖火力面与燃气接触的部分，采用ｗａｖｅ软件仿真的结果，在一个工作循环内取平均传热系数为１０００ｗ／（ｍ２?Ｋ），平均燃气温度为１０８０Ｋ．３）进气道壁面处的传热系数常在１７０～５８０Ｗ／（ｍ２?Ｋ）范围内，本次计算取为５８０Ｗ／（ｍ２?Ｋ），进气温度为设计值３３３Ｋ．

４）排气门导管内表面沿高度方向分为两段，上段的环境温度为４２３Ｋ，下段的环境温度为４７３Ｋ，整个内表面的传热系数都相同，取为６９０ｗ／（ｍ２?Ｋ）［６１．

４冷却水流场及缸盖温度场分析

４．１冷却水流场

由３缸缸盖内冷却水道内部冷却水的流动迹线（如图８所示）可见，大量冷却水直接经缸盖内冷却水道顶部的两个通道由排气道周围的冷却水腔流入进、排气门周围的冷却水腔，然后通过缸盖顶部的出水口流入排水道内。经缸盖内冷却水道底部的两个通道流入进、排气门周围水腔的少量冷却水未能在缸盖底部形成较大的扰动，导致缸盖内冷却水道底面部分冷却水流速较低，缸盖底部的冷却效果不好。

图８缸盖内冷却水流动迹线

Ｆｉｇ．８Ｔｈｅｔｒａｃｅｏｆｔｈｅｃｏｏ“ｎｇｗａｔｅｒｉｎｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ４．２缸盖温度场

气缸盖温度分布不均匀（如图９所示），排气侧缸盖底板火力面温度较高。缸盖底板火力面最高温度在两排气门之间的“鼻梁区”附近，最高温度为６３１．７Ｋ．对于铸铁材料的气缸盖其极限温度应小于６７３Ｋ，仅从最高温度来看气缸盖的冷却是满足要求的。气缸盖内部与冷却水接触的表面的最高温度在喷油器底座附近（如图１０所示），达到５２０．８Ｋ．气缸盖底板沿厚度方向的平均温度梯度较大，达到１０．１Ｋ／ｍｍ．由前文缸盖内冷却水道（图２缸盖内冷却水道几何模型）的结构以及缸盖内冷却水流动迹线（如图８所示），在缸盖底板两排气门之间的“鼻梁区”附近没有布置冷却水道。导致该区域温度接近材料温度极限。

图９气缸盖温度分布图

Ｆｉｇ．９Ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ

由图１１及图１２可见，气缸盖进气道及排气道在接近燃烧室附近的壁面上温度较高，且在靠近燃烧室中心的壁面上温度最高。气缸盖进气道壁面受到增压空气（３３３Ｋ）的冷却，整体温度低于排气道壁面，两者最高温度相差大约为９１．５Ｋ．

４．３改进措施

综合考虑冷却水流场及缸盖温度场，提出以下改进措施：适当降低缸盖出水口位置，将缸盖出水口

由上方出水改为由缸盖下方出水；将排气道周围水

第７期柴油机气缸盖流固耦合传热分析研究７７３

图１０气缸盖内部耦合界面温度分布

Ｆｉｇ．１０Ｔｈｅｔ哪ｐｅＩ｜ａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒ’ｆａｃｅ

ｉｎｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ

图ｌｌ进气道壁面温度分布

Ｆｉｇ．１１Ｔｈｅｔ锄ｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｉｎｌｅｔｐａｓｓａｇｅ

图１２排气道壁面温度分布

Ｆｉｇ．１２ＴｈｅｔｅＩＩｌｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆ

ｔｈｅ饯ｈａｕｓｔｐａ渤ｇｅ

腔与进、排气门周围水腔之间的四通道结构改为两通道结构，并且通道宜斜向下布置；在各缸缸体水套与缸盖内冷却水道之间增加两个串水孔，增加缸盖内冷却水道底部冷却水的扰动；适当增大缸盖进水口面积。

５结论

本文采用ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ软件中的ＣＦＸ模块对由缸盖、缸盖内冷却水道和排气门导管组成的局部系统进行流固耦合传热分析，通过数值计算得到该样机在额定工况下气缸盖的温度场分布。

１）通过分析柴油机工作过程中气缸盖所涉及到的流动与传热过程，明确了耦合传热系统的基本构成包括缸盖、缸盖内冷却水道和排气门导管。

２）建立了计算区域几何模型及耦合传热系统的物理模型。在ＣＦＸｍｅｓｈ中对计算区域各部分划分网格，并设置了额定工况下缸盖底板火力面、排气道壁面进气道壁面等处的热边界条件。

３）采用整场离散、整场求解的方法对耦合传热系统进行数值计算，直接得到了冷却水流场、固体温度场及流固耦合界面处传热系数的大小和分布；

４）气缸盖最高温度在两排气门之间的“鼻梁区”和喷油器底座附近，大约为６３１．７Ｋ，仅从最高温度来看气缸盖的冷却是满足要求的；两排气门之间的“鼻梁区”沿厚度方向平均温度梯度较大，达到１０．１Ｋ／ｍｍ．给出了缸盖冷却水腔的改进措施。

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Ｃｈｉｎｅｓｅ）

柴油机气缸盖流固耦合传热分析研究

作者：骆清国， 刘红彬， 龚正波， 桂勇， LUO Qing-guo， LIU Hong-bin， GONG Zheng-bo，GUI Yong

作者单位：装甲兵工程学院,机械工程系,北京,100072

刊名：

兵工学报

英文刊名：ACTA ARMAMENTARII

年，卷(期)：2008,29(7)

被引用次数：18次

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