沸騰對(duì)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)數(shù)值模擬的影響

白曙

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

沸騰對(duì)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)數(shù)值模擬的影響

白曙

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

計(jì)算對(duì)比了不考慮沸騰和考慮沸騰2種冷卻系統(tǒng)數(shù)值模擬計(jì)算，得出結(jié)論：考慮沸騰傳熱對(duì)內(nèi)燃機(jī)冷卻水腔內(nèi)流動(dòng)與壓力的分布影響不明顯，而對(duì)冷卻水腔內(nèi)傳熱過(guò)程的影響是很大的。若只考慮純對(duì)流傳熱，計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況存在很大的差異。因此，在對(duì)強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的研究時(shí)必須考慮沸騰傳熱的因素，以獲得更為真實(shí)、準(zhǔn)確的結(jié)果。

內(nèi)燃機(jī) 沸騰傳熱 冷卻水腔 流-固耦合 有限元分析

1 前言

柴油機(jī)冷卻水腔內(nèi)的傳熱是一個(gè)極為復(fù)雜的過(guò)程。在水冷式柴油機(jī)氣缸蓋中，冷卻水腔內(nèi)的傳熱有對(duì)流傳熱和沸騰傳熱2種方式[1]，在對(duì)強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的研究時(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)沸騰傳熱的研究都比較少。本文希望通過(guò)對(duì)比計(jì)算，檢驗(yàn)在對(duì)強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行傳熱問(wèn)題研究時(shí)，是否有必要考慮沸騰問(wèn)題。

2 三維組合模型的建立

計(jì)算模型建立的準(zhǔn)確性、有效性直接關(guān)系到計(jì)算的精確性，是有限元模型的基礎(chǔ)。本文的計(jì)算對(duì)象主要是由氣缸蓋、氣缸墊、機(jī)體、氣缸套、機(jī)體冷卻器等零部件裝配而成。通過(guò)三維造型，再現(xiàn)柴油機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)。由于氣缸蓋、機(jī)體上一些尺寸較小的螺釘孔、銷孔和測(cè)試孔等對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果的影響很小，而且在對(duì)這些小孔劃分網(wǎng)格時(shí)容易產(chǎn)生不良單元，因此，這些結(jié)構(gòu)在建模過(guò)程中省略。如圖1所示，圖中(a)為機(jī)體；(b)為氣缸套；(c)為氣缸墊；(d)為氣缸蓋；(e)為機(jī)體冷卻器。將這些零部件裝配起來(lái)，得到組合模型，如圖2所示。

將裝配好的模型以STL格式導(dǎo)入到SC/Tetra軟件的前處理模塊中。由于SC/Tetra軟件具有自動(dòng)識(shí)別模型區(qū)域的功能，即只要將該柴油機(jī)裝配模型中冷卻水腔的進(jìn)出口封閉起來(lái)，使其形成一個(gè)封閉的空間，SC/Tetra軟件就自動(dòng)建立了該柴油機(jī)冷卻水腔的模型，如圖3所示。

3 有限元模型的建立

柴油機(jī)熱分析的有限元模型建立過(guò)程包括計(jì)算網(wǎng)格的劃分，邊界條件的確定，材料屬性的設(shè)定。

來(lái)稿日期：2012-12-12

圖1 某柴油機(jī)零部件三維模型

圖2 某柴油機(jī)三維組合模型

圖3 水腔幾何模型

3.1 計(jì)算網(wǎng)格的劃分

在劃分流固耦合交界面網(wǎng)格時(shí)，采整體劃分的方法同時(shí)生成固體域和流體域的網(wǎng)格，這樣就保證了2個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格在流-固交界面上完全一致。

圖4是固體域網(wǎng)格模型。對(duì)于機(jī)體、缸蓋的流體域網(wǎng)格構(gòu)成則比較復(fù)雜：在遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域采用的是非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，在近壁處插入由五面體的三棱柱和金字塔網(wǎng)格構(gòu)成的附面層網(wǎng)格。圖5是流體區(qū)域網(wǎng)格模型。由于簡(jiǎn)化的缸墊結(jié)構(gòu)外形較為規(guī)則且較薄（壓緊后的厚度僅為1.2mm），為了減小計(jì)算規(guī)模，缸墊本體及其水孔均采用了較為規(guī)則的六面體網(wǎng)格。

圖4 某柴油機(jī)零部件固體域網(wǎng)格模型

圖5 某柴油機(jī)零部件流體域網(wǎng)格模型

將這些網(wǎng)格模型裝配在一起形成了某型號(hào)柴油機(jī)機(jī)體-缸蓋-缸套-缸墊-冷卻水腔的流-固耦合計(jì)算模型。整個(gè)模型網(wǎng)格總數(shù)為6 213 765個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為1 710 816個(gè)。

3.2 邊界條件

3.2.1 流動(dòng)邊界條件

冷卻液入口設(shè)定為入口質(zhì)量流量為2.9 kg/s和入口溫度為78℃；冷卻液出口壓力設(shè)為相對(duì)靜壓邊界，取值為0 Pa。流體壁面設(shè)定為無(wú)滑移邊界，固體外壁面設(shè)定為自由滑移壁面。

3.2.2 缸內(nèi)燃?xì)鈧?cè)的傳熱邊界條件

由Boost軟件仿真得到，某型號(hào)柴油機(jī)一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)缸內(nèi)等效燃?xì)鉁囟群推骄鶄鳠嵯禂?shù)αgm分別為1 043 K和927 W/(m2·K)。

（1）缸蓋火力面燃?xì)鈧?cè)的傳熱邊界條件

根據(jù)文獻(xiàn)推薦，確定了柴油機(jī)缸蓋火力面的分區(qū)方式及各子區(qū)域的局部傳熱系數(shù)，如圖6和表1所示。

圖6 燃燒室表面分區(qū)示意圖

表1 各分區(qū)的傳熱邊界條件

對(duì)缸套內(nèi)壁面進(jìn)行了分區(qū)處理，并將各區(qū)域的平均傳熱系數(shù)和等效燃?xì)鉁囟仁┘拥綄?duì)應(yīng)的缸套內(nèi)表面上，具體數(shù)值如表2所示。

3.2.3 進(jìn)、排氣道的傳熱邊界條件

根據(jù)文獻(xiàn)推薦，取進(jìn)氣道內(nèi)空氣的換熱系數(shù)250 W/(m2·K)，環(huán)境空氣溫度為325 K；排氣道表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)350 W/(m2·K)，廢氣溫度為795 K，將這些傳熱邊界條件分別施加于進(jìn)、排氣道內(nèi)表面單元上，如圖7所示。

3.2.4 其它傳熱邊界條件

機(jī)體、缸蓋的外壁面取平均傳熱系數(shù)為20 W/ (m2·K)，周圍的環(huán)境溫度為323 K；螺栓表面和螺栓孔內(nèi)表面近似按絕熱邊界處理；氣缸墊與機(jī)體、缸蓋有接觸的表面均按絕熱邊界處理。

3.3 材料屬性

某型號(hào)柴油機(jī)所使用的冷卻介質(zhì)為清潔的天然軟水，其熱物性參數(shù)隨溫度變化關(guān)系見表3。機(jī)體、氣缸蓋等材料參數(shù)見表4。

3.4 BDL沸騰模型

計(jì)算流動(dòng)沸騰傳熱時(shí)，其中沸騰部分的傳熱系數(shù)計(jì)算公式可以借用靜止液體沸騰(容積沸騰)的計(jì)算公式。本文采用的BDL模型，是在Chen模型[3]的基礎(chǔ)上提出的一種單向流沸騰模型。Chen模型中S的取值，依賴于全局雷諾數(shù)的大小，但是全局雷諾數(shù)描述的是整體流，因此Chen模型忽略局部流動(dòng)參數(shù)的影響，損失了部分計(jì)算精度。BDL模型的優(yōu)點(diǎn)就在于其克服了Chen模型的缺點(diǎn)，針對(duì)系數(shù)S進(jìn)行了修改，考慮了局部流速以及長(zhǎng)度尺寸等因素。

表2 氣缸套內(nèi)壁面換熱邊界條件

圖7 進(jìn)、排氣道表面網(wǎng)格模型

3.5 求解與收斂判斷

為了判斷計(jì)算是否收斂，一般在計(jì)算開始之前都要設(shè)置殘差監(jiān)控器和某個(gè)特定位置處的變量監(jiān)控器。本文中設(shè)置計(jì)算殘差為10-4，選定的監(jiān)測(cè)面為某個(gè)上水孔截面。計(jì)算后的殘差變化曲線如圖8所示，某個(gè)上水孔的質(zhì)量流量變化如圖9所示。

在求解時(shí)只有當(dāng)計(jì)算殘差滿足收斂要求以及所監(jiān)視的截面上的變量趨于穩(wěn)定時(shí)方可結(jié)束本次計(jì)算。在相同的收斂準(zhǔn)則、計(jì)算步長(zhǎng)（2000步）和計(jì)算CPU數(shù)目（4CPU）下，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，不考慮沸騰傳熱的計(jì)算則大約需要43.8 h，而考慮沸騰傳熱則需要約50.2 h。

表3 冷卻水主要參數(shù)[2]

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)主要材料參數(shù)

圖8 計(jì)算殘差曲線

圖9 上水孔質(zhì)量流量的變化曲線

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 沸騰對(duì)冷卻水腔的流動(dòng)與壓力分布的影響

為研究沸騰傳熱對(duì)冷卻水腔內(nèi)冷卻水的流動(dòng)以及壓力分布的影響，取如圖10所示截面位置上的計(jì)算結(jié)果。如圖11所示，考慮沸騰與否，所示截面的速度分布和平均流速分布趨勢(shì)基本一致。如圖12所示，考慮沸騰與否，整個(gè)水腔的壓力分布結(jié)果基本一致。所以沸騰傳熱對(duì)冷卻水腔內(nèi)的流動(dòng)以及壓力分布影響不明顯。

圖10 缸蓋水腔截面示意圖

綜上可知，沸騰傳熱對(duì)冷卻水腔內(nèi)流動(dòng)與壓力分布影響不明顯。

4.2 沸騰對(duì)冷卻水腔傳熱的影響

如圖13所示，考慮沸騰與否，流固交界面上的溫度場(chǎng)變化很大，可見沸騰傳熱對(duì)冷卻水腔內(nèi)傳熱過(guò)程的影響是很大的。

由圖14可見，考慮沸騰傳熱后計(jì)算得到的火力面最高溫度為521.7 K，比由單相對(duì)流傳熱計(jì)算得到的結(jié)果下降了8.9 K，而且1缸與4缸火力面

最高溫度的差值也從單相對(duì)流傳熱計(jì)算時(shí)的6.3 K減小到2.1 K。

圖11 考慮沸騰與不考慮沸騰傳熱計(jì)算的各個(gè)截面速度分布對(duì)比圖

圖12 冷卻水腔壓力分布云圖

圖13 機(jī)體流-固交界面溫度分布云圖

綜上可知，沸騰傳熱對(duì)冷卻水腔內(nèi)傳熱過(guò)程的影響是很大的，尤其是對(duì)于熱負(fù)荷較高的如噴油器與缸蓋底板交界處、缸蓋鼻梁三角區(qū)等區(qū)域，不能忽略沸騰傳熱的影響。

5 結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，詳細(xì)分析了考慮沸騰傳熱與否對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響：考慮沸騰傳熱對(duì)冷卻水腔內(nèi)流動(dòng)與壓力的分布影響不明顯，而對(duì)冷卻水腔內(nèi)傳熱過(guò)程的影響很大。若只考慮純對(duì)流傳熱，計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況存在很大的差異。因此，在對(duì)強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的研究時(shí)必須考慮沸騰傳熱的因素，以獲得更為真實(shí)、準(zhǔn)確的結(jié)果。

The Influence of Boiling on Diesel Engine Cooling System in the Numerical Simulation

Bai Shu
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

This study focuses on the comparison between the simulation results with or without boiling. The result of study shows that boiling mainly affects the heat transfer in cooling jacket,but does not affect the flow and pressure of the coolant in the cool jacket.The computational result is very different from the fact if convective heat transfer is considered only.So it is important to consider boiling in research in the heat transfer of internal combustion engine of high power-to-volume ratio.The will give more exact results.

internal combustion engine,boiling heat transfer,cooling water jacket, fluid-solid couple,FEA

白曙（1985-），女，碩士，主要研究方向?yàn)镃FD-計(jì)算流體力學(xué)。

10.3969/j.issn.1671-0614.2013.01.001