基于流固耦合的柴油機缸體/缸套溫度場分析

劉建敏， 董　意， 王普凱， 劉艷斌， 韓立軍

(1. 裝甲兵工程學院訓練部， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072)

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基于流固耦合的柴油機缸體/缸套溫度場分析

劉建敏1， 董意2， 王普凱2， 劉艷斌2， 韓立軍2

(1. 裝甲兵工程學院訓練部， 北京 100072； 2. 裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072)

摘要：為研究某型柴油機缸體/缸套的溫度場分布情況，建立了其三維幾何模型和柴油機的工作過程模型，求解了缸內高溫燃氣的溫度和換熱系數，缸體/缸套與周圍固體部件及環境空氣的熱傳導等外部邊界條件，采用流固耦合方法分析了冷卻液流動換熱規律，并計算了缸體/缸套的溫度場分布。結果表明：冷卻液在水套內的流動換熱狀態較好，且固體部件溫度狀況較為理想。最后，結合冷卻液進口布置、耦合方法的選取等問題提出了優化改進意見及下一步的研究方向。

關鍵詞：柴油機； 缸套； 缸體； 溫度場； 流固耦合

作為將熱能轉化為機械能的動力裝置，柴油機較高的內部溫度一直是制約其發展的主要因素。柴油機內溫度較高的區域主要位于燃燒室周圍與高溫燃氣接觸的部位，包括缸套、活塞和缸蓋等部件。缸套內壁面直接與高溫燃氣接觸，外壁面受冷卻液直接冷卻，工作環境及沿軸線從上到下溫度梯度變化較大，會縮短缸套壽命及柴油機的中修間隔。缸體不僅對缸套、缸蓋起支撐固定作用，且與缸套一起構成了冷卻液的流動水套，其溫度狀況及工作狀態與缸套、冷卻液流動換熱等關系密切。因此，研究缸體/缸套的溫度場分布對保證柴油機可靠、高效和穩定工作意義重大。

劉鵬飛[1]利用經驗公式分析了某大功率特種柴油機缸套的溫度場分布規律，但其計算邊界條件的設置過于簡單，沒有考慮燃氣、活塞和冷卻液等因素對缸套溫度場的影響；張萬平等[2]應用耦合的方法分析了某D6114柴油機的冷卻液流動和固體部件溫度場分布情況，明確了冷卻液流速與換熱狀況、固體部件溫度的關系；胡在雙[3]應用流固耦合的方法研究了某摩托車發動機冷卻水道和缸體、缸壁等部件的工作狀態，并以此為依據對某發動機水套進行了重新設計，但摩托車的發動機功率較小，結果不具有通用性；張輝平等[4]應用流固耦合的方法分析了某發動機缸體與冷卻水套的共軛傳熱狀況，結果表明冷卻液流速分布較為不均勻且缸體存在局部過熱的情況，并有針對性地提出了優化改進意見。上述研究表明：缸體/缸套溫度場的研究必須與冷卻液流動換熱及缸內燃燒放熱狀況進行耦合分析；同時，由于柴油機功率、布置形式和冷卻水道形狀的不同，針對不同型號的柴油機進行單獨分析才能得到準確且有指導意義的結果。

基于上述分析，筆者提出應用流固耦合的方法計算分析某柴油機缸體/缸套的溫度場分布狀況，以期為柴油機可靠高效的工作、優化改進及設計制造提供理論依據。

1模型建立

首先建立柴油機的工作過程模型，該柴油機的主要結構參數和性能指標如表1所示。

為節約計算時間、降低計算成本，結合柴油機對稱的布置形式，應用Gt-Power軟件建立了該柴油機一側氣缸排的工作過程模型，如圖1所示。該模型主要用于分析柴油機缸內氣體的溫度和換熱系數的變化規律，為缸體/缸套溫度場的計算提供邊界條件。圖2為應用Pro-e軟件建立的柴油機缸體和缸套的三維幾何模型，考慮到后續網格劃分及計算容量的限制等問題，在建模過程中忽略了直徑小于3 mm的導角，并選取缸體的左半側和第1-3缸的缸套進行溫度場的計算。圖3為將缸體和缸套幾何模型導入ANSYS的Designmodeler模塊中抽取出的冷卻液流動水道三維幾何模型，其中：冷卻液從兩側下方的入口進入柴油機，經頂部的24個出口流入氣缸蓋。

圖1柴油機一側氣缸排的工作過程模型

圖2柴油機缸體和缸套的三維幾何模型

圖3抽取出的冷卻液流動水道三維幾何模型

2邊界條件及求解設置

2.1缸內燃氣

應用GT-Power軟件計算額定工況下缸內瞬時平均溫度T和換熱系數h隨曲軸轉角變化的曲線，如圖4所示。

圖4缸內瞬時平均溫度T和換熱系數h隨曲軸轉角變化的曲線

缸內的燃氣平均溫度Tm和平均換熱系數hm的計算公式[5]分別為

(1)

(2)

根據圖4中的數據及式(1)、(2)可得出Tm和hm的值。活塞周期性的往復運動給燃氣傳熱帶來一定影響，缸套內壁面軸向的換熱邊界條件[6]為

(3)

式中：l為計算點到缸套頂面的距離；Tz(l)為距缸套頂面處的燃氣平均溫度；hz(l)為距缸套頂面處的燃氣平均換熱系數；s為活塞下止點處到缸套頂面的距離；d為氣缸直徑。

2.2冷卻液流固耦合換熱

由于柴油機每一側氣缸排的冷卻水道關于其中心面對稱，因此只需取左側氣缸排冷卻液流動模型的左半側進行計算。圖5為冷卻液流動區域網格劃分示意圖，其中：應用ANSYS WORKBENCH中的MESHING模塊劃分網格，采用Sweep方法對圓柱形部位劃分網格，其余部位采用Patch Conforming方法進行網格劃分，并在除進、出口外的所有換熱區域添加邊界層。由圖5可知：所畫網格沒有出現負體積，Minimum Orthogonal Quality值為0.351 25，說明網格劃分的質量較好。網格劃分完成后，共得到1 014 964個節點和2 829 723個網格。

圖5冷卻液流動區域網格劃分示意圖

將劃分完網格的模型導入FLUENT軟件中進行模擬計算。采用穩態、壓力基求解模式；標準k-epsilon湍流模型，以Enhanced Wall Treatment方法處理近壁面區域的換熱；流體區域物質設置為水，其密度為998.2 kg/m3，比熱為4 182 J/(kg·K)，熱導率為0.6 W/(m·K)，黏度為1.003 g/(m·s)。

FLUENT軟件在流固耦合界面通過自動生成的shadow面進行匹配。其流固耦合界面的傳熱公式[7]為

(4)

式中：Tw為壁面溫度；Qw為壁面的熱流量；下標1和2分別表示流體區域和固體區域。

設置出口邊界類型為“outflow”，結合試驗值設置入口邊界類型為“velocity-inlet”，入口速度為 5 m/s,湍流強度為5%，水力直徑Di的計算公式[8]為

Di=4A/Pw，

(5)

式中：A為流體區域面積；Pw為濕周長。

選用耦合算法：壓力的離散求解采用二階法；動量和能量方程的離散采用二階迎風格式；湍動能和湍流耗散方程的離散采用一階迎風格式。為保證計算收斂，設松弛因子為0.1，當能量方程的迭代殘差小于10-6，且其他方程的迭代殘差小于10-4時，即可判定計算收斂。設置循環次數為500步，對冷卻液在水套內的流動換熱規律進行計算，為缸體/缸套的溫度場計算提供邊界條件。

2.3固體部件換熱

缸體/缸套與缸蓋、外界空氣的換熱采取第3類邊界條件，取環境溫度為315 K，換熱系數為30 W/(m2·K)[9]。計算過程中缸體/缸套的熱物性參數如表2所示。

應用Patch Conforming方法對缸體劃分網格，應用sweep方法對缸套劃分網格，最終二者共得到4 537 775個節點和3 073 783個單元，缸體和缸套具體網格劃分示意圖分別如圖6、7所示。

圖6缸體網格劃分示意圖

圖7缸套網格劃分示意圖

3計算結果分析

將缸內燃氣的溫度和換熱系數，缸體、缸套與周邊固體部件和環境空氣的熱傳導規律施加到缸體、缸套的有限元模型上，而后利用該模型與冷卻液的流動換熱模型進行流固耦合計算，最終得到冷卻液流動換熱規律以及缸體/缸套的溫度場分布規律。

圖8、9分別為冷卻液流動速度示意圖和左視圖。可以看出：冷卻液流動速度分布并不均勻，冷卻液在進口附近流速較高，在第3缸附近區域的流速較低，但是所有區域的冷卻液流速均大于0.5 m/s,整體上滿足了柴油機缸體/缸套的冷卻換熱需求[2]。

圖8冷卻液流動速度示意圖

圖9冷卻液流動速度左視圖

由于第3缸附近的冷卻液流速較低，說明在氣缸中此處的流動換熱情況相對較差，其溫度狀況也較不理想，因此筆者將對第3缸缸套的溫度場分布規律進行分析。

圖10為第3缸缸套的溫度場分布示意圖，可以看出：1)第3 缸缸套的最高溫度為603.51 K，最低溫度為326.82 K，溫度差為276.69 K，溫度的幅值和差值均在合理區間，說明冷卻液的流動換熱能保證所有氣缸套均在正常狀態下工作；2)氣缸套的溫度分布整體上呈現出由上到下逐漸降低的趨勢，這是由于隨著活塞的運動，缸內燃氣的主要傳熱區域位于缸套的上部；3)處于下曲軸箱部位的缸套溫度分布較為均勻且幾乎不受上部燃氣的影響，這說明冷卻液的流動換熱效果較為理想。

圖10第3缸缸套的溫度場分布示意圖

圖11為左半側缸體溫度場分布示意圖。可以看出：1)缸體的最高、最低溫度與缸套相同，這是由于二者的溫度場是通過耦合計算得到，且最高、最低溫度均出現在耦合界面上；2)缸體的溫度分布呈現由上到下逐漸降低的趨勢，這與缸套溫度場的分布規律大致相同；3)冷卻液流速由第1缸到第3缸逐漸降低，換熱能力逐漸減弱，所以沿這個方向的溫度分布呈現逐漸升高的趨勢。

圖11左半側缸體溫度場分布示意圖

4結論

應用流固耦合的方法分析了某柴油機內冷卻液流動換熱及缸體/缸套溫度場分布情況，得到如下結論：

1)應用流固耦合方法可方便、準確和快速地求解冷卻液流動換熱及固體部件的溫度場分布情況，但對計算機硬件配置要求較高，在實際模擬仿真時應根據具體情況選擇適當的求解方法。

2)該柴油機冷卻水套布置形式較為合理，內部冷卻液流速均大于0.5 m/s,能滿足冷卻換熱需要。但由于2個冷卻液進口分別布置在缸體兩側，導致第3、4(中間的2個)氣缸附近冷卻液流速明顯偏低。在下一步設計改進時建議在缸體中部設置進水口，以解決柴油機內部冷卻液流速分布不均勻的狀況。

3)由于冷卻充分且工作環境相對缸蓋更加溫和，缸體/缸套的溫度場分布較為均勻，最大溫差為276.69 K，處于材料許可范圍內。下一步，應在本文計算的基礎上結合缸體/缸套所受到的機械力進行熱-機械應力的耦合分析。

參考文獻：

[1]劉鵬飛．大功率特種柴油機改進中關鍵部件的熱負荷分析研究[D]．上海：上海船用柴油機研究所，2015．

[2]張萬平，楊志剛，肖國權，等．柴油機受熱零部件冷卻系統的流/熱耦合仿真分析[J].系統仿真學報，2011，23(1)：203-206.

[3]胡在雙．摩托車發動機冷卻水套與缸體流固耦合傳熱研究[D]．重慶：重慶大學，2014.

[4]張輝平，胡在雙.基于流固耦合傳熱的摩托車發動機冷卻水套優化設計[J].設計與研究，2014，41(9)：35-39.

[5]李迎．內燃機流固耦合傳熱問題數值仿真與應用研究[D].杭州：浙江大學，2006.

[6]姚都．基于熱機耦合的缸套變形分析[D].濟南：山東大學，2014.

[7]孫平,于秀敏,董偉,等．汽油機固液耦合傳熱數值模擬[J].汽車工程，2015,37(3)：346-352.

[8]崔翰星,徐向華,梁新剛,等．四缸柴油機冷卻水套流動與傳熱仿真研究[J].工程熱物理學報，2011，32(3)：477-479.

[9]董哲林,陳國華,蔣炎坤,等．基于FEM及KIVA的內燃機耦合部件傳熱建模[J].華中科技大學學報(自然科學版)，2012,40(9)：122-127.

(責任編輯: 尚菲菲)

Analysis of Temperature Field of Cylinder Body and Sleeve in Diesel Engine Based on the Fluid-solid Coupling Method

LIU Jian-min1, DONG Yi2, WANG Pu-kai2, LIU Yan-bin2, HAN Li-jun2

(1. Department of Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;2. Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Key words:diesel engine; cylinder sleeve; cylinder body; temperature field; fluid-solid coupling

Abstract：To study the temperature field distribution of the cylinder body and sleeve in diesel engine, the three-dimensional geometrical model and the working process model are established. While the temperature and heat transfer coefficient of the gas, the heat transfer condition with the circumjacent body and cylinder cover are computed. The condition of the coolant flow and heat transfer is analyzed by the fluid-solid coupling method, and the temperature field distribution of the cylinder sleeve and the cylinder body is calculated. The result shows that both the heat transfer of the coolant and the temperature field of the solid component are good. At last, the proposal of optimization and future research direction are put forward combining with the inlet setting of the coolant and selection of coupling method.

文章編號：1672-1497(2016)03-0041-04

收稿日期：2016-03-28

基金項目：國家“973”計劃項目

作者簡介：劉建敏(1963-)，男，教授，博士。

中圖分類號：TK42

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.03.009