發(fā)動機(jī)機(jī)體缸蓋冷卻水CFD模擬計算與分析

2013-06-19 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

應(yīng)用ANSYS CFX軟件對某高強(qiáng)化重烈發(fā)動機(jī)的機(jī)體、缸蓋冷卻水逍進(jìn)行了CFD模擬計算,分析了缸蓋冷卻水流量分布均衡性,考查了缸蓋冷卻水流動情況并對網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格品質(zhì)度等對模擬計算精度的影響進(jìn)行了分析研究表明,網(wǎng)格精度和網(wǎng)格數(shù)量對計算精度影響明顯。

發(fā)動機(jī)缸蓋、機(jī)體是發(fā)動機(jī)的主要部件,其形狀非常復(fù)雜,里面的冷卻水通道形狀也非常復(fù)雜。試驗(yàn)證實(shí),燃?xì)鈧鹘o冷卻液的熱量約占燃料總熱量的20%~30%,而通過缸蓋傳出的熱量約占發(fā)動機(jī)傳給冷卻液全部熱量的50%~65%。對高強(qiáng)化、大功率軍用發(fā)動機(jī)來講,冷卻是至關(guān)重要的。車輛發(fā)動機(jī)的冷卻是個很重要的課題,同時也是衡量車輛性能的重要一環(huán),因?yàn)樗苯佑绊憫?zhàn)車的性能。如今計算流體力學(xué)軟件發(fā)展得比較成熟,計算出的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合得很好。采用CFD可以縮短發(fā)動機(jī)的設(shè)計或改進(jìn)設(shè)計周期,并能夠大幅度降低試驗(yàn)成本,而且得到通過試驗(yàn)方法無法測到或難于測到的一些參數(shù),可以解決一些實(shí)際不能解決的問題,如高溫與真實(shí)氣體效應(yīng)等。

2 CFD仿真模擬

2.1發(fā)動機(jī)機(jī)體、缸蓋模型

本次分析的發(fā)動機(jī)是一臺6缸V型增壓水冷柴油機(jī).首先用三維實(shí)體造型軟件proe繪制其三維模型缸體、缸蓋的冷卻水道三維實(shí)體模型見圖1。冷卻水經(jīng)由水泵送往進(jìn)水總管,然后通過兩個進(jìn)水支管通過冷卻水箱分別由第1和第4缸進(jìn)入左右兩排氣缸,冷卻水由各缸機(jī)體水道流向缸蓋水道,最后通過各缸缸蓋出水口流出。

發(fā)動機(jī)機(jī)體缸蓋冷卻水CFD模擬計算與分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片1

    2.2計算網(wǎng)格

計算網(wǎng)格的生成是計算流體力學(xué)和其他數(shù)值模擬技術(shù)的一個重要組成部分,是促使CFD工程實(shí)用化的一個重要因素網(wǎng)格品質(zhì)的好壞直接影響到數(shù)值解和氣動力數(shù)據(jù)的計算精度,而且這種影響在許多情況下甚至是決定性的。目前,在CFD高度發(fā)達(dá)的美國,網(wǎng)格生成所需的人力時間占一個計算任務(wù)全部人力時間的60%~80%,可見網(wǎng)格生成是CFD作為工程應(yīng)用的有效工具所面臨的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此計算網(wǎng)格生成受到世界各國計算流體力學(xué)工作者和工業(yè)部門的重視。

由于發(fā)動機(jī)機(jī)體、缸蓋冷卻水逍模烈的復(fù)雜性,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不規(guī)則區(qū)域有特別適應(yīng)性,而且在有限體積法中引入非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格后,使得有限容積法和有限元法之間的差別縮小了,在某些情形下兩者是等價的,本計算分析劃分的網(wǎng)格均為四面體網(wǎng)格。根據(jù)實(shí)際情況及需要,本研究對發(fā)動機(jī)機(jī)體、缸蓋冷卻水道模型劃分了三種不同網(wǎng)格數(shù)量(分別為100萬、200萬和300萬左右)、三種不同網(wǎng)格品質(zhì)(Mesh Quality)的網(wǎng)格(最低網(wǎng)格品質(zhì)分別達(dá)到0.05 , 0.20和0.30 )其中一組網(wǎng)格如圖2所示,網(wǎng)格質(zhì)量的定義見圖3。

2.3流體介質(zhì)及模擬狀態(tài)

為了保證與試驗(yàn)結(jié)果的可比性,CFD計算過程中冷卻液選用的是水。計算工況為發(fā)動機(jī)標(biāo)定點(diǎn),此時水泵轉(zhuǎn)速為3666 r/min,冷卻液流量為871.6 L/min。采用穩(wěn)態(tài)的計算模式,在模擬計算過程中認(rèn)為冷卻液在機(jī)體、缸蓋冷卻水通道中的流動是絕熱、不可壓縮的粘性湍流流動。

發(fā)動機(jī)機(jī)體缸蓋冷卻水CFD模擬計算與分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片2

發(fā)動機(jī)機(jī)體缸蓋冷卻水CFD模擬計算與分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片3

    2.4數(shù)學(xué)模型

    1)流動控制方程。

    流動計算建立在連續(xù)性方程,動量守恒方程和能量守恒方程基礎(chǔ)之上。

    2)湍流模型。

常用的湍流模型有亞網(wǎng)格尺度模型、單方程模型、湍流模型,RNG k-ε湍流模型和雷諾應(yīng)力(RSM)模型等。每一種模型都有其優(yōu)缺點(diǎn),適合于不同的流動形式。本文采用在工程上被廣泛使用,并且既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的k-ε雙方程湍流模型。

    2.5邊界條件

    1)壁面邊界。

本文選用絕熱無滑移的壁面邊界條件,采用CFX特有的Scalar賠面函數(shù)對邊界層的流動狀態(tài)進(jìn)行模擬。

    2)進(jìn)出口邊界。
采用最為穩(wěn)健(Robust)的進(jìn)出口邊界條件組合方式是進(jìn)口流量/出口壓力或進(jìn)口流速/出口壓力,對于不可壓縮的流體這兩種組合方式是等價的。本次計算采用進(jìn)口流量/出口壓力的進(jìn)出口邊界條件。

2.6方程的離散和求解

采用CFX全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù),同時求解動量方程和連續(xù)性方程。連續(xù)性方程及動量方程采用高精度(High Resolution)格式,所有的湍流方程均采用一階迎風(fēng)格式,收斂條件選為均方根誤差小于10-5。

3 CFD結(jié)果分析

3.1各缸流量均勻性

圖4表小各缸流量計算結(jié)果及試驗(yàn)測量結(jié)果的比較和各缸流量所占總流量的比例。從圖4可看出各缸計算流量值與試驗(yàn)測量值吻合較好,同時計算值反應(yīng)出的各缸流量的分配趨勢與測量值反應(yīng)出的趨勢吻合。在左、右各缸排中,中間的那個缸的流量相對其余兒缸流量均大。由各缸流量所占白分比看,各缸流量總的來說流量分配較為均勻。

發(fā)動機(jī)機(jī)體缸蓋冷卻水CFD模擬計算與分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片4

3.2重點(diǎn)區(qū)域的流速

如圖5所示,在下缸蓋截取相距10 mm的兩個平面,考查截面1和截面2處的速度云圖(見圖6)。

發(fā)動機(jī)機(jī)體缸蓋冷卻水CFD模擬計算與分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片5

由于本模型為V型6缸機(jī),為了比較方便,將左、右缸排的相應(yīng)云圖放在一起比較。在圖6中,左邊從下往上依次是第1, 2和3缸相應(yīng)截面處的速度云圖,右邊從下往上依次是第4, 5和6缸相應(yīng)截面處的速度云圖。

發(fā)動機(jī)機(jī)體缸蓋冷卻水CFD模擬計算與分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片6

從截面1和截面2處的云圖可以較為方便直接地看出,處于兩進(jìn)氣門之間鼻梁區(qū)域的流速在0.7m/s之間,流速較低;處于進(jìn)氣門和排氣門之間的兩個鼻梁區(qū)域的流速在2.0 m/s 左右,流速較高。由于本計算模型為高增壓大功率柴油發(fā)動機(jī),因此需要改進(jìn)兩進(jìn)氣門之間的鼻梁區(qū)域結(jié)構(gòu),以提高流速。

3.3冷卻水流動情況

圖7為第1~3缸的速度流線圖。由圖可清楚地看出在相鄰兩缸的下缸蓋處有明顯的回流,這主要是由于相鄰兩缸通過相應(yīng)上水口以很高的流速進(jìn)入空間較大的下缸蓋的水流互相作用產(chǎn)生的結(jié)果。在第1缸和第3缸的外側(cè)也有回流產(chǎn)生。下缸蓋中的冷卻水以平均9 m/s的速度進(jìn)入上缸蓋,在上缸蓋的冷卻水流動較好,各缸冷卻水通道處的水流速度低,即各缸之間的冷卻水氣相流動少。另外也可以看出第1缸缸體中的水流速度較大,因?yàn)樵摳姿幍母着爬鋮s水是通過第一缸流入的,第3缸缸體中的水流速度最小。

發(fā)動機(jī)機(jī)體缸蓋冷卻水CFD模擬計算與分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片7

4 網(wǎng)格因素對計算結(jié)果的影響

在進(jìn)行CFD分析時,遇到的一個普遍關(guān)注的問題是網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格品質(zhì)本文將在下面兩節(jié)中探討網(wǎng)格品質(zhì)和網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響,其中δmax值代表6缸中出口處冷卻水流量的計算值與測量值的最大相對誤差,取絕對值。

    4.1網(wǎng)格數(shù)量的影響

保持各計算方案中的壁面條件均為無滑移、光滑、絕熱辟面,在相同的網(wǎng)格品質(zhì)下,考查不同的網(wǎng)格數(shù)量對模擬計算結(jié)果的影響。

如圖8所示,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增大到300萬的時候,不同網(wǎng)格品質(zhì)的各計算方案的CFD計算精度接近;網(wǎng)格品質(zhì)為0.20和0.30的兩條曲線較為接近,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到200萬后曲線更為接近。而且從圖中還可以看出,在網(wǎng)格品質(zhì)較差的時候,提高網(wǎng)格數(shù)量對模擬計算精度的影響有較明顯的作用,當(dāng)網(wǎng)格品質(zhì)達(dá)到0.20后,網(wǎng)格數(shù)量對模擬計算精度的影響較小,特別是當(dāng)網(wǎng)格品質(zhì)達(dá)到0.30后影響更小。

發(fā)動機(jī)機(jī)體缸蓋冷卻水CFD模擬計算與分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片8

考慮計算精度和計算時間的雙重因素,在滿足工程設(shè)計精度要求的前提下,為了縮短研發(fā)時間加快研發(fā)進(jìn)度,對于本6缸模型應(yīng)選擇200萬網(wǎng)格數(shù)量的網(wǎng)格。

    4.2網(wǎng)格品質(zhì)的影響

保持計算時的賠面條件均為無滑移、光滑、絕熱壁面,考慮在相同的網(wǎng)格數(shù)量情況下,不同的網(wǎng)格品質(zhì)對模擬計算結(jié)果的影響。

如圖9所示,當(dāng)網(wǎng)格品質(zhì)達(dá)到0.30后,不同網(wǎng)格數(shù)量的各計算方案下的CFD計算精度接近。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為100萬時,即網(wǎng)格數(shù)量較少的情況下,網(wǎng)格品質(zhì)的改變對CFD計算的影響較為顯著。當(dāng)網(wǎng)格品質(zhì)達(dá)到0.20后,網(wǎng)格數(shù)量為200萬和300萬的曲線較靠近,即這兩種方案下的CFD計算精度相近。

發(fā)動機(jī)機(jī)體缸蓋冷卻水CFD模擬計算與分析+有限元仿真分析相關(guān)圖片圖片9

由于網(wǎng)格生成所需的人力時間占一個計算任務(wù)全部人力時間的60%~80%,而要得到高網(wǎng)格品質(zhì)的網(wǎng)格需要的時間更多,因此需在模擬計算精度與整個CFD工程時間進(jìn)度上做最優(yōu)化選擇網(wǎng)格品質(zhì)選為0.20應(yīng)為最佳選擇。

5 結(jié)論

1)從試驗(yàn)結(jié)果和計算結(jié)果的數(shù)據(jù)比較可以看出,CFD計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較接近,CFD計算的可靠性還是令人滿意的,可以用于工程計算。

2)該發(fā)動機(jī)各缸冷卻水流量均勻性較好,但是下缸蓋兩進(jìn)氣門之間的鼻梁區(qū)水流速度較小,需要改進(jìn)。

3)網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格品質(zhì)對CFD計算精度均有影響,但影響的程度各有所不同;當(dāng)網(wǎng)格品質(zhì)小于0.20時,網(wǎng)格數(shù)量對CFD計算精度的影響較為顯著,隨著網(wǎng)格品質(zhì)的繼續(xù)提高其作用變得不是很明顯;當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量較少的時候,網(wǎng)格品質(zhì)對CFD計算精度的影響較為顯著,網(wǎng)格數(shù)量的選取還應(yīng)考慮計算時間的囚素,對于本6缸發(fā)動機(jī)采用200萬網(wǎng)格較佳。

4)網(wǎng)格品質(zhì)和網(wǎng)格數(shù)量之間有交互作用,二者的共同作用對CFD計算精度有重要影響。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才