汽油機固液耦合傳熱數值模擬*

孫 平,于秀敏,董 偉,許思娜,何 玲

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

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2015061

汽油機固液耦合傳熱數值模擬*

孫 平,于秀敏,董 偉,許思娜,何 玲

(吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

為某汽油機建立其一維GT-POWER模型和三維FLUENT模型；將一維GT-POWER模型計算結果作為邊界條件，輸入FLUENT中完成發(fā)動機外特性的固液耦合傳熱模擬計算，并進行其溫度場、水套的速度場和傳熱系數場等的分析。最后通過實驗進行驗證。

汽油機；固液耦合；傳熱；數值模擬

前言

車輛散熱冷卻研究中，過熱零部件較好的分析方法是整體耦合計算，將固體和液體作為一個整體，讓兩者在計算中互為邊界進行迭代運算，從而得到各部分的溫度場分布，為固體的強度運算和液體沸騰傳熱計算提供更準確的邊界條件。

整體耦合傳熱分析發(fā)動機的基本方法是將進排氣道、氣缸內的燃氣和整個機體(缸體、缸蓋和缸墊)作為一個整體進行發(fā)動機傳熱計算。文獻[1]中對氣缸蓋采用耦合傳熱計算其溫度場分布，并對汽油機的爆燃現象進行了研究分析。文獻[2]～文獻[4]中也做了耦合的相關研究。文獻[5]中研究了SI(火花點火)發(fā)動機的冷卻系統固液耦合傳熱，重點模擬了一臺5.4L的V8發(fā)動機在全負荷工況下某一缸受熱點的預測。文獻[6]中利用耦合傳熱模型研究了活塞表面的傳熱和溫度分布，得到了理想的期望結果。文獻[7]中對高性能的SI發(fā)動機缸蓋燃燒室頂部進行了固液耦合傳熱不同CFD方法分析的對比。

文獻[8]中對WD165柴油機其中一缸的機體進行穩(wěn)態(tài)的耦合傳熱研究，得到缸套和水套的溫度分布云圖及冷卻水的壓力、速度和傳熱系數的分布云圖。文獻[9]中重點研究了四缸柴油機缸體固液部分的熱負荷及強度分析。文獻[10]中利用ANSYS-FLOTRAN對某型柴油機缸蓋做了耦合分析。文獻[11]中研究了6110柴油機中的耦合傳熱，視發(fā)動機機體、缸套、缸墊、缸蓋、水套、缸內燃氣為一個耦合體系，模擬其傳熱狀況。文獻[12]中也利用一維軟件GT-POWER仿真得到缸內工作過程燃氣的溫度、傳熱系數和缸套側、進排氣側的溫度，并在此基礎上對冷卻水套局部的沸騰傳熱進行了分析。文獻[13]中建立了某款柴油機的模型，將機體及其冷卻水套視為整體進行了耦合傳熱分析。這些研究存在的欠缺是在三維模型網格劃分時，固液耦合面分為獨立的兩部分然后組裝在一起，或者在考慮三維流動邊界條件時發(fā)動機模型不是從空濾到三效催化轉換器的整體模型。

本文中以某汽油機為研究對象，建立其進排氣系統、氣缸、曲軸箱、燃油噴射系統和附件如空氣濾清器、三效催化器等模塊的一維GT-POWER模型，以及缸體、缸蓋、整體水套、上水孔水套、水泵的FLUENT三維模型。將一維模型仿真輸出的燃氣傳熱條件處理后輸入到FLUENT中進行計算，對其溫度場、水套速度場和傳熱系數場等進行模擬分析研究。

1 一維GT-POWER模型的搭建

一維GT-POWER建模主要是解決CFD三維計算流動邊界條件的問題。CF465Q4發(fā)動機的主要參數見表1。

表1 CF465Q4主要技術參數

1.1 CF465Q4的工作模型和參數設定

根據CF465Q4的總體結構布置，利用GT-POWER建立了從進氣系統一直到排氣系統的一維管路系統工作過程模型，如圖1所示。這里主要介紹重要部分的建模。

1.1.1 進排氣系統

利用Discretizer模塊可用轉化好的三維STL格式進行自動網格劃分，最終轉化成一維管路系統的模式。模型圖基本都是由管路和管接頭組成。

1.1.2 進排氣道與進排氣閥門

氣道噴射的汽油機，其氣道的形狀、尺寸等因素對燃料的混合程度影響較大，在GT-POWER中采用流量系數綜合評價其影響因素。通過Flow-coefficients模塊設置氣門直徑和進氣的質量流量、溫度、壓差等求得流量系數。

1.1.3 氣缸

氣流在諸多部位的節(jié)流作用下，最終進入氣缸內形成渦流、滾流等流動。在GT的計算中，利用KINETIC方程和紊流耗散率方程。在計算第1個循環(huán)時，發(fā)動機第1缸的渦流滾流是從進氣門關閉時刻開始的。在第1個循環(huán)過后，利用計算的渦流與滾流系數作為后續(xù)計算的已知條件，代入下一個循環(huán)中進行渦流與滾流的計算。

本文中采用“EngCylCombSIWiebe”燃燒模式。在模塊中考慮了氣缸幾何尺寸、燃燒持續(xù)期、燃燒過半對應的曲軸轉角、燃料成分等各種因素對放熱率的影響。

建模中除上述系統外還包括燃油噴射系統、曲軸箱和附件的設置等。

1.2 一維模型的驗證

在全負荷工況下運行40個循環(huán)，得到如圖2和圖3所示的外特性模擬結果。

兩組數據相比較，一維整機模型計算結果與實驗值吻合程度比較高，但是由于進氣系統的流量系數的值是在氣道穩(wěn)壓差下測得，與實際情況有偏差。但整體誤差都在5%以內。

2 固液耦合計算

研究對象是該款汽油機的缸體、缸蓋、整體水套、上水孔水套和水泵的模型。水泵的額定流量為96L/min。

2.1 研究對象三維模型及其簡化

汽油機模型通過PRO/E建立，如圖4和圖5所示。對于一些不影響流場的復雜腔道做最細致的改善，且保證其改善結果不影響發(fā)動機零部件的溫度計算。對復雜的冷卻水套內部腔道沒有簡化，只是將缸蓋鼻梁區(qū)域的典型部位進行了網格細化。對于缸體的外表面的螺栓孔和機體內部的定位螺栓及影響網格劃分的部分都做了相應的處理。

2.2 三維模型的網格劃分

本文中將在一個軟件中實現網格的劃分和導出。首先將整體的發(fā)動機三維PRO/E模型轉化成IGES格式導入到ANSA軟件，將水套腔道分離出來，進行定義與交界面處面網格的劃分。以交界面處的面網格為基準，分別對固體和液體區(qū)域方向進行不同體的定義。這樣就在一個整體中分離出了所需求的不同材料的體單元。最后將分離出的體單元進行單獨的體網格的劃分。

整體的網格全部采用非結構化四面體網格，各個部件的網格如圖6～圖8所示。其中缸體網格數為108萬，缸蓋網格數為77萬，整體的水套網格數為134萬。

2.3 計算的控制方程和計算采用的模型設置

三維固液溫度場計算就是對下列方程[12]進行求解，對象為不可壓縮的流體和固體。

(1)

(2)

能量守恒方程：

(3)

k-ε湍流模型方程：

(4)

(5)

在模擬水泵時，采用FLUENT軟件中的MRF(moving reference frame)模型模擬水泵的葉輪部分。

2.4 計算模型材料物性的設置

缸蓋材料是AlSiCu3鑄鋁合金，缸體材料是HT250灰鑄鐵，冷卻液為水與乙二醇按1∶1配置，其物性參數均見表2。在計算中假設材料的物性參數為定值。

表2 計算模型中材料的物性參數

2.5 計算模型邊界條件的設置

在固液耦合計算中，FLUENT軟件中大部分采用的是壁面第三類邊界條件，即相應部位的溫度和傳熱系數。

2.5.1 燃氣的傳熱邊界條件

采用應用廣泛的Woschni改進公式計算。計算工況選用發(fā)動機的額定工況(轉速為5 300r/min),即最大功率工況。采用一維GT模型計算的氣缸內燃氣溫度和燃氣的傳熱系數作為三維計算的邊界條件，如圖9所示。這種變化的邊界條件可以通過FLUENT軟件的用戶自定義函數(user defined function, UDF)功能實現。

2.5.2 進排氣道的傳熱邊界條件

模型所計算的是發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)溫度場，其溫度和傳熱系數也由一維模型提供，如圖10～圖11所示。

2.5.3 缸蓋、缸體和曲軸箱的傳熱邊界設置

缸體、缸蓋和曲軸箱的外邊界設置根據如下經驗公式得到。

ha=0.32Re0.675Pr0.4(ka/le)

(6)

式中：ha為傳熱系數，W/(m2·K)；Pr和Re分別為周圍流動空氣的普朗特數和雷諾數；ka為導熱系數，W/(m·K)；le為發(fā)動機整個外圍特征尺寸，m。

各個部分的溫度值將按照臺架試驗中的實際情況來設置。

2.5.4 冷卻水套出入口邊界的設置

將水套的入口設置為mass-flow-inlet，流量為96L/min，另將出口設置為outflow自由出口。溫度按實際情況設置。

2.5.5 固液耦合面的設置

在計算過程中，固體給流體提供計算邊界，流體也給固體換熱提供計算條件。這部分邊界不能預先已知，須在計算中采用一種整體離散與整體求解的方法，以節(jié)省計算時間。在FLUENT軟件中，固液耦合面在導入模型后會自動生成一種面與面shadow的匹配。

固液交界面的傳熱公式如下：

TW|1=TW|2

(7)

qW|1=qW|2

(8)

(9)

式中：1和2分別表示固體和液體的區(qū)域。

2.5.6 其它部件的邊界設置

在計算中忽略了墊圈，設置其接觸面為絕熱。機油冷卻器和潤滑油道對缸體傳熱的影響也按照壁面第三類邊界條件處理，由于不是主要內容，這里只給出方法說明。對傳熱影響比較小的定位孔和螺栓孔都設置成第一類邊界條件，絕熱類型。

2.6 計算結果分析

發(fā)動機內部冷卻液的流動方向如圖12所示。冷卻液從水套的入水口A進入機體后經水泵進入到排氣側水套腔道，最后從進氣側的B處流出，再通過缸墊上的上水孔進入到缸蓋冷卻液流動腔道內，帶走發(fā)動機缸蓋零部件的多余熱量。

2.6.1 缸體和缸蓋冷卻水套的速度分布

冷卻液的速度如圖13所示。據CFD計算的經驗，在熱負荷高的區(qū)域冷卻液速度達到0.5m/s即可。由圖可見：整體上速度分布較不均勻；A區(qū)的流速較高，排氣側的流速明顯大于進氣側；在C區(qū)出現了回流與流動死區(qū)，是由于水泵位置偏低或此處上下部速度差較大。整個流動過程中流阻比較大導致內部出現復雜的流速分布區(qū)域，是進氣側流速低的原因。

上水孔的速度分布如圖14所示。由圖可見：平均流速在1～2m/s，基本滿足冷卻要求；其中進氣側分布有1～9號水孔，10～22號分布在排氣側；2和3號上水孔流速偏高達到3.75～4m/s，21、22號上水孔流速偏低為0.25～0.5m/s，分布不是很均勻。這是由于2、3孔正好對著進氣側的出口處，且正好對著上部缸蓋的出水孔，而有5%的流量沒有經水泵而直接通過上水孔從水套的出口流出，沒有起到冷卻的作用。21、22號水孔處于冷卻水路的末端，由于流動中的壓力損失和缸蓋的分流作用，最后到達末端的流量也就越來越少，體現在末端上水孔位置的流速相應地降低。

圖15為缸蓋上的水套底端面的速度分布云圖。由圖可見：分布不是很均勻，熱負荷最高的進排氣門座與火花塞之間的鼻梁區(qū)域的平均流速在0.6m/s，此區(qū)域對缸蓋是個嚴重的考驗，應該在此部位重點考慮結構改進。

圖16為缸體水套水泵速度分布。由圖可見：水泵內部的流場分布很均勻；由于水泵出口的流動速度很高，導致進入機體的水流不很穩(wěn)定，水套的下部區(qū)域比上部區(qū)域的流速高，這也是導致圖示A處出現回流與漩渦的主要原因。

2.6.2 缸體和缸蓋冷卻水套傳熱系數分布

圖17為缸體和缸蓋的傳熱系數分布云圖。據經驗在發(fā)動機熱負荷較高區(qū)域，其傳熱系數達到5kW/(m2·K)以上即可滿足冷卻要求。由圖可見：在2、3缸的進氣側傳熱系數偏低，為3kW/(m2·K)左右，須改進結構來調整冷卻；此外缸蓋的大部分區(qū)域的傳熱系數都在5kW/(m2·K)以上，基本上都滿足冷卻要求。

2.6.3 缸體內壁的溫度場

圖18為缸體內壁的溫度場云圖。由圖可見：缸套內壁的溫度分布基本很均勻，最高溫度位于2、3兩缸相接連接處的薄壁之處，達到429.4K，這是由于此處承受著來自兩缸共同的熱負荷，且3缸位于冷卻液的末端位置；在缸內壁面的下部溫度較高，達410K左右，這是由于缸體的高度有112mm，而水套只有85mm，缸體下部區(qū)域并未被冷卻液包圍冷卻，故缸壁的偏下部區(qū)域呈現的溫度比較高。

圖19為燃燒室頂部的火力面的溫度場的分布云圖。由圖可見：最高溫度均出現在排氣門與火花塞之間的鼻梁區(qū)域，其中3缸的鼻梁區(qū)域的溫度最高，達到452.5K，在缸蓋零部件的設計溫度范圍內，基本符合要求。

2.7 實驗驗證

由于實驗條件的限制，在汽油機溫度測量中只將缸蓋熱負荷比較高的關鍵部位進行了測量，即排氣門與火花塞間的鼻梁區(qū)域，測點都分布在4個缸的這些鼻梁區(qū)域內，如圖20所示。

圖21為各個氣缸燃燒室頂部鼻梁區(qū)域在節(jié)氣門全開、不同轉速下的溫度值。由圖可見：總體趨勢是隨著轉速的提高，溫度都有升高；在整個溫度分布中，3缸溫度最高，最大功率時達到176.2℃；其次是4缸的溫度，為170.1℃；1缸的溫度達到169.8℃；2缸的溫度為164.6℃。其分布規(guī)律與冷卻液的冷卻情況有著很大的關系。圖22和圖23分別為最大轉矩工況(4 300r/min)和最大功率工況(5 300r/min)

下缸蓋的最高溫度區(qū)域實驗值與計算值的對比，誤差在5%以內。

3 結論

整體耦合傳熱分析能在車輛散熱冷卻研究中為固體的強度計算和液體的沸騰傳熱計算提供更精確的邊界條件。以固液分界面為基準一次性完成發(fā)動機部件的網格劃分，將從空氣濾清器到三效催化轉化器的GT-POWER一維模型計算結果作為邊界條件完成發(fā)動機外特性的固液耦合傳熱計算。

在2缸的進氣側有出水口和上水孔，從此處進入水套的一部分冷卻液會順著這個上水孔直接從缸蓋流出，此處的流速比較大，冷卻效果好，溫度也相對最低。水泵出口設置在1缸靠近排氣側的位置，雖然出口的流速很高，但這里存在有流動死區(qū)和漩渦，此處的上水孔位置的流速不是很高，缸蓋處的冷卻效果較差，所以此處的溫度比2缸高一些。在冷卻液的流經途徑中，隨著其吸收的熱量越來越多和壓力損失越來越大，體現的溫度也越來越高，到3缸的鼻梁區(qū)位置達最高值。4缸缸蓋進氣側因設置有出水口，流速比較大，對缸蓋能夠起到一定的冷卻作用，故此處鼻梁區(qū)域的溫度較3缸低一些。

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Numerical Simulation on Solid/Fluid Coupling Heat Transfer for a Gasoline Engine

Sun Ping, Yu Xiumin, Dong Wei, Xu Sina & He Ling

JiLinUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSimulationandControl,Changchun130022

A 1D GT-POWER model and a 3D FLUENT model for a gasoline engine are built. The calculation results with 1D GT-POWER model are taken as the boundary conditions for the 3D FLUENT model to complete the simulation of solid/fluid coupling heat transfer with the temperature field, the flow velocity field of water jacket coolant and the heat transfer coefficient field of the engine analyzed. The results are verified by experiments in the end.

gasoline engine; solid-fluid coupling; heat transfer; numerical simulation

*國家自然科學基金(51276079)、博士點基金(20110061110032)和吉林大學基本科研業(yè)務費(450060491512)資助。

原稿收到日期為2013年6月20日，修改稿收到日期為2013年9月27日。