基于流固耦合的汽油機整機溫度場的仿真分析

胡鶴，劉麗華，張沛毅，馬冠欽，王瑞平,2

引言

隨著現代發動機性能不斷的提高，發動機所承受的溫度也在不斷增加，發動機的工作溫度是影響發動機安全可靠工作的重要因素之一。因此，在發動機設計階段精確分析發動機整機溫度場是必要的。

現有計算整機溫度場的方法通常是先假設壁面溫度計算水套，將水套的溫度和對流換熱系數映射給固體部分作為邊界進行計算，再將所得到的溫度場重新加載到水套上，最后再將新的溫度和對流換熱系數邊界映射到固體上進行計算。中間存在一個循環計算的過程，計算周期長，且在單獨計算水套流動時缺乏明顯的判別標準。本文中應用STAR CCM+軟件將水套與整機進行耦合計算，減少了邊界的假設，縮短了計算周期，提高精度的同時為評價水套流動提供了明確的判斷依據。

1、計算模型和邊界條件

1.1 幾何模型

處理幾何模型時對螺栓孔，油道進行了簡化，零部件主要包括缸體、缸蓋、缸蓋墊、進排氣門、氣門導管及氣門座圈。

1.2 計算模型

計算域包括六個固體域（如圖 1）及一個流體域。固體域與流體域都采用Polyhedral網格進行計算，Polyhedral網格相較于Trimer網格能夠較好的保證固體域與流體域交界面網格節點的一致性，具有較好的曲面適應性，網格數少，能夠有效提升計算效率。

假定固體域各自的物理性質為常數，求解采用分離式求解器。材料屬性如表1所示。

表1 固體材料屬性

假定冷卻液為定常不可壓流體，采用分離式求解器，湍流模型采用K-epsilon模型。

1.3 邊界條件

1.3.1 固體域邊界條件

固體域主要對與高溫氣體接觸的邊界進行溫度和對流換熱系數的設定，由燃燒CFD計算提供。主要熱邊界包括：進排氣道、燃燒室、氣門、氣門座圈。

1.3.2 流體域邊界條件

流體域計算進口流量、出口壓力及流量等邊界條件均由一維計算得到。壁面溫度邊界由固體域計算得到，如圖4所示。

2、計算結果

2.1 流速分布

2.1.1 缸體流速分布

由圖5可以看出，缸間切槽的流速大于2m/s，滿足冷卻要求。3、4缸（氣缸由左至右依次定義為1、2、3、4缸）內壁均存在較多的低流速區域，單單通過流動無法判斷其是否滿足冷卻要求。

2.1.2 缸蓋流速分布

由圖6可以看出，缸蓋排氣側鼻梁區流量分布不均勻，火花塞附近存在低流速區域。由鼻梁區的流速分布可以看出，近火力面附近流速較低，且存在回流，存在冷卻不足的風險。

2.2 整機溫度場

2.2.1 缸體溫度分布

由缸體溫度場分布，最高溫度為198℃，位于3、4缸之間，試驗樣機缸間溫度測點的計算溫度與試驗值對比如表 2所示。

表2 缸體缸間溫度對比

最高溫度位于3、4缸之間，從流速分布可以看出，3、4缸雖存在低流速區域，但缸體冷卻滿足要求（低于缸體材料的極限溫度220℃）。

2.2.2 缸蓋溫度分布

缸蓋溫度場分布，最高溫度為225℃，位于第1缸排氣鼻梁區處，試驗樣機缸間溫度測點的計算溫度與試驗值對比如表3所示。

表3 缸蓋排氣側鼻梁區溫度對比

由流速分布可以看出，1缸鼻梁區的流量流速偏低，因此最高溫度出現在該處。由溫度場分布可以看出1缸缸蓋水套的冷卻滿足要求（缸蓋材料極限溫度250℃）。

3、結論

（1）本文應用STAR CCM+軟件對四缸汽油機進行流固耦合計算，通過與試驗數據對比，驗證了計算結果的可靠性。

（2）由計算結果可以看出，缸蓋的材料為鑄鋁，極限溫度要求為260℃，計算結果最高溫度為225℃，符合使用要求；缸體材料為鑄鐵，極限溫度要求為 220℃，計算結果最高溫度為198℃，符合使用要求。

通過缸體缸蓋流固耦合計算，能夠為水套的流動分析提供明確的判斷標準，計算結果更加直觀。

[1] CD-Adapco Inc. STAR-CCM+ User’s Guide. 2008.

[2] 楊世銘.傳熱學(第二版).北京：高等教育出版社.1987: 26-31.

[3] 駱清國，劉紅彬，龔正波.柴油機缸體-缸套-缸蓋-冷卻水整體耦合傳熱仿真研究[J]. 車用發動機，2009，1:31-35.