用耦合法分析研究发动机的稳态传热



用耦合法分析研究发动机的稳态传热

赵亚茹，张翼，李博

（中北大学机械与动力工程学院，太原030051）

摘要利用FLUENT分析软件对发动机的稳态传热进行了仿真模拟。以所建立的某柴油机耦合传热系统为例进行了仿真计算，得到了耦合系统（活塞、缸套、冷却水套）的温度场等相关信息。计算结果表明，用耦合法模拟柴油机活塞组、缸套和冷却水之间的稳态传热是可行的。

关键词：柴油机耦合温度场稳态传热

来稿日期：2015-04-02基金项目：中北大学校基金（20141116）

1　引言

发动机稳态传热是指缸内燃气通过燃烧室壁面把热量传递给冷却介质[1]。随着工业技术的进步和传热学的发展，燃烧室的单个零部件（活塞、缸套和缸盖）温度场的计算及分析方法已相当成熟。近几年来，越来越多的学者已经开始研究发动机的整机耦合，即把缸内燃气与燃烧室整体部件（缸盖－缸套－活塞组）的三维模型耦合起来，进而实现真正意义上的发动机传热过程全仿真模拟[2]。本文主要研究了发动机活塞组－缸套－冷却水耦合系统之间的传热，难点在于其边界条件的确定。通过采用耦合传热的方法，可以将零件之间复杂的外边界条件转化为相对简单的内边界条件，只对耦合系统定义外边界即可模拟发动机的稳态传热[3]。

2　理论依据及基本假设

在进行发动机稳态传热研究的过程中，活塞顶面的边界条件可以由经验公式获得；而活塞侧面边界条件，由于传热情况的复杂性无法直接给出。因此，本文使用活塞组－缸套－冷却水耦合系统，模拟其传热情况，传热关系如图1所示。从图中可以看出，燃气把热量传给活塞和缸套，然后通过润滑油和冷却水将热量传出。活塞组与缸套之间通过动接触传热，可忽略润滑油膜的对流传热作用，而将其简化为一维热阻，缸套与冷却水之间则用流固耦合的方式，模拟其传热过程[4]。

本文在模拟仿真时，作了以下几点假设：（1）忽略活塞的横向摆动，只考虑活塞的往复直线运动；（2）活塞和缸套间的润滑油膜厚度均匀；（3）活塞环充满活塞环槽，忽略活塞环与环槽之间的燃气泄漏；（4）冷却水的压力和流速视为恒定值[5]。

3　耦合传热模型的建立

本文以某柴油机为例，计算了其在标定工况下活塞组－缸套－冷却水耦合系统的传热情况。该发动机具体参数如表1所示。

图1　耦合系统传热示意图

在PRO/E三维绘图软件中分别建立了单缸的活塞组、缸套和冷却水的三维模型，然后将冷却水模型嵌入到固体模型中，组成了一个完整的固、流耦合系统。使用ANSYS ICEM CFD软件对各模型划分网格。在划分网格的过程中，将活塞组－缸套、缸套－冷却水贴合的双壁面处理成公用面，从而实现了固固耦合、流固耦合的计算；然后用FLUENT软件将各部件网格组装起来。各部件及耦合系统的计算网格如图2所示。由于耦合系统中各零部件材料不同，在模拟仿真时，需分别输入各零件的材料参数。各部件的物性参数如表2所示。

表1　柴油机主要参数

表2　各零件材料物性参数

4　传热边界条件

4.1活塞组换热边界条件

图2　各部件及耦合系统计算网格

在进行活塞组－缸套－冷却水耦合传热系统研究时，需要确定燃气与活塞、燃气与缸套和润滑油与活塞之间的换热边界条件。燃气与活塞、燃气与缸套采用对流换热边界。气缸内当量循环平均燃气温度及当量循环平均换热系数的计算公式为：

式中，

φ——曲轴转角；

Tg——当量循环平均燃气温度；

hg——当量循环平均燃气换热系数；

Tg——缸内瞬时燃气温度；

hg——缸内瞬时燃气换热系数。

其中，Tg和hg可由发动机缸内工作过程模拟计算得出。

活塞底部与润滑油之间的喷溅冷却换热计算所需的温度，使用油腔内润滑油的温度，根据同系列发动机的试验数据，此处取T=365 K，活塞底部与润滑油之间的喷溅冷却换热系数计算公式为：

式中，

qvp——冷却喷嘴喷向活塞底部的润滑油量；

tm——冷却侧活塞壁面的平均温度。

对于活塞组侧面、润滑油膜、缸套内侧的传热，由第2节中的理论依据和假设可得，可以将润滑油膜简化为一维热阻，进而活塞组与缸套的换热可用下式描述：

式中，

姿oil——润滑油膜的导热系数；

啄oil——润滑油膜厚度；

Tp、TL——活塞组与缸套对应位置温度。

4.2缸套换热边界条件

对于缸套与活塞组、缸套与冷却水的接触面，其为系统的内边界，采用耦合传热的方式描述，无需定义。对于缸套的其他区域，均采用第一类边界条件（即规定了边界上的温度值），其温度根据经验设定。

4.3冷却水流动、换热边界条件

水套处冷却水入口边界条件采用速度入口边界条件（velocity-inlet），即需要确定冷却水的流速及温度。冷却水出口则选择自由边界条件（outflow），即无需定义流动出口的任何条件。耦合仿真模型中，最终施加的边界条件如表3所示。

表3　耦合系统边界条件

5　数值仿真结果

通过以上数值模拟，得到耦合系统的温度场分布云图如图3所示。从图中可以看出，耦合系统的最高温度为603 K，出现在排气门侧活塞顶面倒角处，最低温度出现在入水口处。从图4耦合系统仿真温度场的切片云图可以看出，耦合系统中活塞温度最高；而且由于润滑油的喷溅冷却，活塞底部、裙部等处的温度急剧下降。

图4　耦合仿真系统温度切片云图

从图5缸套的温度分布云图可以看出，缸套上部由于受到高温燃气的直接加热，其温度可达507 K，明显高于下部的温度（376 K左右）。图6、图7为水套的速度矢量图和水套压力分布图。从图6和图7中可以看出，冷却水压力分布不均匀，且冷却水的最高流速为2.7 m/s；入水口与出水口速度较快，导致缸套上部没有形成良好的环流。由于冷却水压力、流速分布不均匀，使缸套的温度在轴向是不对称分布的。

图6　水套压力分布云图

图8　活塞温度场云图

从图8活塞的温度分布云图可以看出，活塞温度由上到下逐渐降低，并且变化较为剧烈；最高温度达603 K，出现在活塞顶面倒角处，而最低温度为370 K左右，这是由活塞的工作环境决定的。一方面，活塞顶与高温燃气直接接触，受到最高燃气的高速冲刷，使活塞顶面的温度较其他区域高；另一方面，活塞顶距振荡油腔较远，换热环境恶劣。而活塞底部、裙部等处由于喷溅冷却得到了较好的冷却，因而温度较低。

图9为活塞内腔的温度云图，可以看出活塞内腔的温度沿轴向、径向均逐渐降低；而且中心区域温度降低比四周区域快，主要是受振荡冷却油道和底部喷油冷却的共同影响。

6　降低活塞热负荷的主要途径

活塞温度过高或热应力过大是导致活塞发生顶部变形等故障的直接原因，

图9　活塞内腔温度分布云图

（1）减少活塞的热量来源。活塞顶的热量来自于缸内的高温燃气。因此，对活塞顶部进行相应的处理，比如进行硬膜阳极氧化等，可起到阻挡燃气向活塞的传热，降低活塞顶的温度，进而减少活塞的热量来源。

（2）强化活塞的冷却。从图1可以看出，缸内燃气传给活塞的热量最终由冷却水和润滑油带走。因此，为了降低活塞的热负荷，应在保证发动机功率的前提下，对其换热进行强化，如合理布置冷却水道、增加润滑油对活塞内腔和振荡油腔的润滑与换热等。

7　结论

（1）通过忽略润滑油膜的对流换热作用，将其简化为一维热阻，建立了活塞组－缸套－冷却水耦合传热系统模型，较好地处理了模型间难以处理的边界条件，仅对系统定义外边界即可模拟发动机的稳态传热，简化了计算过程，提高了计算精度。

（2）用耦合法可以获得活塞组－缸套－冷却水耦合传热系统的温度场分布，水套的流场分布、压力损失等信息，这些信息对发动机的设计具有一定的指导意义。

（3）分析了降低活塞热负荷的主要途径，为发动机冷却及优化提供了思路。

参考文献

[1]白敏丽，沈胜强，陈家骅等.内燃机传热全仿真模拟研究进展综述[J].内燃机学报，2000，18（1）：96-99.

[2]荆碧舟，韩振南.缸套-活塞组耦合传热的有限元分析[J].中国农机化学报，2013，34（4）：184-187，145.

[3]辛喆，张克鹏，谢斌等.耦合法用于柴油机冷却系统传热的研究[J].农业工程学报，2010，26（1）：177-181.

[4]白敏丽，丁铁新，吕继组.活塞组-气缸套耦合传热模拟[J].内燃机学报，2005，23（2）：168-175.

[5]李迎，俞小莉，李婷等.活塞-缸套瞬态耦合传热的有限元仿真[J].浙江大学学报，2007，41（2）：347-355.

[6]冯长征，祖炳锋，徐玉梁等.基于流固耦合的国Ⅴ柴油机缸盖稳态传热研究[J].内燃机工程，2014，35（6）：90-95.

Study on Steady Heat Transfer in Engine by Coupling Methods

Zhao Yalu, Zhang Yi, Li Bo

（North University of China, Taiyuan 030051, China）

Abstract:Simulation of steady heat transfer in engine was conducted by using FLUENT software. For the simulation, a coupled heat transfer system of a diesel engine was built. The temperature field and other related information of the coupling system (piston, cylinder liner, cooling water jacket) were obtained from the simulation. The results indicate that the coupling methods can solve the steady heat transfer among piston, liner, and cooling water of diesel engine.

Key words:diesel engine, coupling, temperature field, steady heat transfer

作者简介：赵亚茹（1991-），女，在读研究生，主要研究方向为发动机总体技术及结构动态设计。

doi:10.3969/j.issn.1671-0614.2015.02.003