柴油机机体-冷却水套流固耦合系统传热仿真.pdf

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1、第26卷第7期1182010年7月农业工程学报TransactionsoftheCSAE、，01．26No．7Jul．2010柴油机机体一冷却水套流固耦合系统传热仿真王唯栋，孙平，张锐，刘天将(江苏大学汽车与交通工程学院，镇江212013)摘要：为了改善发动机热负荷高这一现代发动机发展的主要障碍，该文就算例柴油机的机体及冷却水套作为耦合系统，采用流固耦合的方法实现整体耦仑传热计算，从而将单独计算比较难确定的部分边界条件转变为系统的内部边界，在Fluent软件中进行数值计算。计算得到的收敛结果与采用热电偶法测昔的机体及冷却水的温度试验数据较为吻合。根据机体及冷却水温度场分布，对

2、机体和水套结构作适当改进来增加冷却水套的降温效果，再次做耦合系统的传热计算，发现A、B2种改进方案较原模型相比分别将机体最高温度降低到了152℃和122℃，验证了结构改进的合理性，最终有效地改善了发动机热负荷。关键词：发动机机体，冷却系统，传热，流固耦合doi：10．3969／j．issn．1002—6819．2010．07．021中图分类号：TK421文献标识码：A文章编号：1002—6819(20lO)一07—0118—05王唯栋，孙平，张锐，等．柴油机机体一冷却水套流固耦合系统传热仿真[J】．农业工程学报，2010，26(7)：118—122．WangWeidong，S

3、unPing，ZhangRui，eta1．Simulmionofheattransferbyliquid-solidcoupledmethodofengineblockandcoolingwaterjacket[J]．TransactionsoftheCSAE，2010，26(7)：118—122．(inChinesewithEnglishabstrac0^罩l士1．1耦合系统模型的建立与网格划分。“8应用Pro／E软件对所需的机体和冷却水套进行三维在内燃机领域里，多场耦合计算已经逐渐得到应实体模型的创建。模型如图l所示。用l卜2l，FEV公司在水套优化计算中使用了流热耦合传

4、热法；A．P．Kleemann用耦合传热法计算了气缸盖温度场l副；2006年，无油所郭立新等人应用Star-CD软件采用．直接流热耦合计算方法计算了某汽油机气缸盖和机体的温度场，测点计算值和实测值最大误差为7．64％，反映了该方法计算具有足够的精度【4～l。本文采用流固耦合方法对机体．冷却水套流同耦合系统进行传热计算，流固耦合传热研究是将固体部件和流体区域进行整体建模，对这一整体进行传热研究，包括结构上的各系统祸合和计算中各物理场的耦合。耦合传热计算不但减少了计算的边界条件，又使仿真更加符合发动机实际工作状况，从而能够在发动机初期概念设计阶段有效降低研发成本和风险，也为设计人

5、员提供较为可信的设计参考睁引。1发动机流固耦合传热系统的建模与数值模拟计算本文中的数值计算是基于有限容积法的流固耦合系统流动与传热的计算，其中流体和固体耦合壁面的温度场求解采用直接耦合法[9—01，应用Fluent软件的耦合求解功能同时求解连续性方程、动量方程、能量方程以及湍流方程，直至收敛。收稿日期：2009．12．16修订日期：2010-04-02作者简介：王唯栋(1985一)，男，江苏苏州人，从事发动机的传热与热负荷研究。镇江江苏大学汽车与交通工程学院，212013．Emaihsky帅lk∞r@163．com图1三维计算模型Fig．13Dcomputationmodel

6、s本文模型的网格划分是应用Hypermesh软件中的自动划分网格功能。并对机体和冷却水套的装配贴合的双边壁面进行耦合处理，在网格划分时将该壁面处理成共用面，从而实现流固耦合的传热计算。网格采用的是非结构化网格形式中的四面体单元。划分后的网格模型如第7期王唯栋等：柴油机机体．冷却水套流同耦合系统传热仿真119图2所示。图2耦合系统网格模型Fig．2Griddingmodel热边界条件主要是指缸内燃气与机体缸套内壁面之‘％2ijoasdf2iiJo口。d妒乏=臀介质对气缸壁面的瞬时平均换热系数Ⅸ。，最后求解得到％=336W／(m2·K)，I=815K。套传热到机体壁面的热量损失【

7、121，直接将该缸套燃气侧机体上顶面由于是石棉复合垫片，导热系数很小，算的准确性。其他换热边界条件见表2。表1气缸内壁面分段换热边界条件Table1Heattransferconditionofcylinder’sinnerwall肋衄口j(J)／I(j)／X／mm吒(，)／．I(。)7(W·(m2．K)。1)K(W·(m2·K)4)KO～5237．9791．9>55～65160．9604．3>5～15179．9670．1>65～80160．0598．5>15～25174．6653．6>80～95159