46.STAR-CD在缸盖水腔沸腾传热数值模拟中的应用

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1、2009年CDAJ－China中国用户论文集STAR-CD在缸盖水腔沸腾传热数值模拟中的应用NumericalSimulationonBoilingHeatTransferofCoolingWater-JacketinCylinderHeadwithSTAR-CDSoftware1121闫理贵胡玉平杨柳孙平1（山东大学能源与动力工程学院250061）2（中国船舶重工集团公司第七一一研究所上海）摘要:流固耦合方法能够实现交界面上流体和固体之间的热量交换，本文采用CFD软件STAR-CD使用流固耦合方法对柴油机缸盖冷却水腔内的传热过程进行了数值模拟计算，为反映沸腾传热的影响，在STAR-CD中嵌

2、入单相流沸腾传热模型。对结果进行了详细分析并与纯对流传热的模拟结果进行比较，表明沸腾换热在整个换热中占很大比例，不可忽略。关键词:气缸盖;CFD;沸腾传热;流固耦合；STAR-CDAbstract:themethodofcoupledfluid-heatcancompleteheatexchangealongtheinterfacebetweenfluidandsolid.Inthispaper,fluid-solidcouplingnumericalsimulationontheheattransferofcoolingwater-jacketincylinderheadofdiesele

3、nginewasemployedusingthecommercialCFDsoftwareSTAR—CD.Inordertoconsidertheinfluenceofboilingheattransfer,aboilingheattransfermodelisbuiltintoSTAR-CD.Theresultisanalyzedindetailsandcomparisonwiththepureheatconvectionshowsthatheattransferconsideringboilingfactorisevidentlydifferentfromthatofpureheatco

4、nvectionandcouldnotignored.Keyword:cylinderhead;CFD;boilingheattransfer;fluid—solidcoupling;STAR-CD1引言[1]柴油机气缸盖结构非常复杂，其功能的实现是由流场、温度场、应力场等多个物理场共同作用决定的。同时随着多物理场耦合技术的发展，流固耦合技术已逐渐被应用于缸盖冷却水腔的设计计算中并取得了里程碑式的成果。为获得准确可靠的气缸盖温度场分布,缸盖水腔表面温度场的确定是关键.而在冷却水腔的传热计算中，表面换热系数的大小又影响着最终的温度场。在水冷式发动机气缸盖中，冷却水腔内的传热有对流传热和沸腾传热

5、两种方式。沸腾传热是缸盖冷却水腔中一种重要的换热方式，由于相变因素的影响，其传热机理与对流换热有很大[2-3]的差别，沸腾传热量在整个换热中占有很大的比例，不可忽略。在冷却水腔中充分考虑沸腾传热因素，可以更加精确地获得表面换热系数，进而获得准确可靠的缸盖温度场分布。但是到目前为止，缸盖水腔内的流动和传热[3-5]计算仍以单纯考虑对流换热为主，从而降低了对缸盖水腔内流动和传热计算的准确性。12009年CDAJ－China中国用户论文集本文针对以上问题基于FORTRAN语言开发了一种适用于缸盖水腔沸腾传热计算的模型，将其作为子程序编译[6]链接到STAR-CD中，使得对缸盖水腔内传热过程的描述更

6、加符合实际。采用流固耦合方法对某柴油机冷却水腔的流场和缸盖的温度场进行了数值模拟,并对结果进行了分析。2流固耦合传热的实现原理流固耦合传热计算就是将冷却水腔的CFD计算与缸盖的温度场有限元计算联合起来，其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，在流固界面处，固体传出的热量等于流体吸收的热量。所以，∂T可采用方程K()=h(T−T)描述这一守恒，即用该方程联接描述缸盖实体热传导的Fourier热传导方程和nwwf∂n描述流体流动及传热的控制方程组；式中，K为导热系数(W/(m·K));h为对流换热系数(W/(m2·K));T为壁nw面温度(K);T为流体温度(K).f结合S

7、TAR-CD和FEA软件本身特点,其流固耦合过程如图1所示:将STAR-CD计算所得的流体边界温度T图1流固耦合流程图与对流换热系数HTC映射到有限元的网格上,通过python语言按照有限元计算的边界格式整合成第三类热边界条件传递给FEA;而将FEA计算所得的固体壁面温度T作为壁面传热边界条件通过用户子程序施加到STAR-CD中.w3计算模型3.1几何建模与网格划分在构建冷却系统几何模型时，为了保证计算结果真