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发动机机体缸盖冷却水CFD模拟计算与分析

2009-09-10 10:25  by:有限元  来源:广州有道有限元
  应用ANSYS CFX软件对某高强化重烈发动机的机体、缸盖冷却水逍进行了CFD模拟计算,分析了缸盖冷却水流量分布均衡性,考查了缸盖冷却水流动情况并对网格数量和网格品质度等对模拟计算精度的影响进行了分析研究表明,网格精度和网格数量对计算精度影响明显。
 
  发动机缸盖、机体是发动机的主要部件,其形状非常复杂,里面的冷却水通道形状也非常复杂。试验证实,燃气传给冷却液的热量约占燃料总热量的20%~30%,而通过缸盖传出的热量约占发动机传给冷却液全部热量的50%~65%。对高强化、大功率军用发动机来讲,冷却是至关重要的。车辆发动机的冷却是个很重要的课题,同时也是衡量车辆性能的重要一环,因为它直接影响战车的性能。如今计算流体力学软件发展得比较成熟,计算出的结果与试验结果吻合得很好。采用CFD可以缩短发动机的设计或改进设计周期,并能够大幅度降低试验成本,而且得到通过试验方法无法测到或难于测到的一些参数,可以解决一些实际不能解决的问题,如高温与真实气体效应等。

2 CFD仿真模拟

    2.1发动机机体、缸盖模型
   
  本次分析的发动机是一台6缸V型增压水冷柴油机.首先用三维实体造型软件Pro/E绘制其三维模型缸体、缸盖的冷却水道三维实体模型见图1。冷却水经由水泵送往进水总管,然后通过两个进水支管通过冷却水箱分别由第1和第4缸进入左右两排气缸,冷却水由各缸机体水道流向缸盖水道,最后通过各缸缸盖出水口流出。

    2.2计算网格
   
  计算网格的生成是计算流体力学和其他数值模拟技术的一个重要组成部分,是促使CFD工程实用化的一个重要因素网格品质的好坏直接影响到数值解和气动力数据的计算精度,而且这种影响在许多情况下甚至是决定性的。目前,在CFD高度发达的美国,网格生成所需的人力时间占一个计算任务全部人力时间的60%~80%,可见网格生成是CFD作为工程应用的有效工具所面临的关键技术之一。因此计算网格生成受到世界各国计算流体力学工作者和工业部门的重视。
   
  由于发动机机体、缸盖冷却水逍模烈的复杂性,非结构化网格不规则区域有特别适应性,而且在有限体积法中引入非结构化网格后,使得有限容积法和有限元法之间的差别缩小了,在某些情形下两者是等价的,本计算分析划分的网格均为四面体网格。根据实际情况及需要,本研究对发动机机体、缸盖冷却水道模型划分了三种不同网格数量(分别为100万、200万和300万左右)、三种不同网格品质(Mesh Quality)的网格(最低网格品质分别达到0.05 , 0.20和0.30 )其中一组网格如图2所示,网格质量的定义见图3。

    2.3流体介质及模拟状态
   
  为了保证与试验结果的可比性,CFD计算过程中冷却液选用的是水。计算工况为发动机标定点,此时水泵转速为3666 r/min,冷却液流量为871.6 L/min。采用稳态的计算模式,在模拟计算过程中认为冷却液在机体、缸盖冷却水通道中的流动是绝热、不可压缩的粘性湍流流动。

    2.4数学模型
   
    1)流动控制方程。
   
    流动计算建立在连续性方程,动量守恒方程和能量守恒方程基础之上。
   
    2)湍流模型。
   
  常用的湍流模型有亚网格尺度模型、单方程模型、湍流模型,RNG k-ε湍流模型和雷诺应力(RSM)模型等。每一种模型都有其优缺点,适合于不同的流动形式。本文采用在工程上被广泛使用,并且既经济又实用的k-ε双方程湍流模型。

    2.5边界条件
   
    1)壁面边界。
   
  本文选用绝热无滑移的壁面边界条件,采用CFX特有的Scalar赔面函数对边界层的流动状态进行模拟。
   
    2)进出口边界。
  采用最为稳健(Robust)的进出口边界条件组合方式是进口流量/出口压力或进口流速/出口压力,对于不可压缩的流体这两种组合方式是等价的。本次计算采用进口流量/出口压力的进出口边界条件。

    2.6方程的离散和求解
   
  采用CFX全隐式多网格耦合求解技术,同时求解动量方程和连续性方程。连续性方程及动量方程采用高精度(High Resolution)格式,所有的湍流方程均采用一阶迎风格式,收敛条件选为均方根误差小于10-5。

3 CFD结果分析

    3.1各缸流量均匀性
   
  图4表小各缸流量计算结果及试验测量结果的比较和各缸流量所占总流量的比例。从图4可看出各缸计算流量值与试验测量值吻合较好,同时计算值反应出的各缸流量的分配趋势与测量值反应出的趋势吻合。在左、右各缸排中,中间的那个缸的流量相对其余儿缸流量均大。由各缸流量所占白分比看,各缸流量总的来说流量分配较为均匀。

    3.2重点区域的流速
   
  如图5所示,在下缸盖截取相距10 mm的两个平面,考查截面1和截面2处的速度云图(见图6)。

  由于本模型为V型6缸机,为了比较方便,将左、右缸排的相应云图放在一起比较。在图6中,左边从下往上依次是第1, 2和3缸相应截面处的速度云图,右边从下往上依次是第4, 5和6缸相应截面处的速度云图。   

  从截面1和截面2处的云图可以较为方便直接地看出,处于两进气门之间鼻梁区域的流速在0.7m/s之间,流速较低;处于进气门和排气门之间的两个鼻梁区域的流速在2.0 m/s 左右,流速较高。由于本计算模型为高增压大功率柴油发动机,因此需要改进两进气门之间的鼻梁区域结构,以提高流速。

    3.3冷却水流动情况
   
  图7为第1~3缸的速度流线图。由图可清楚地看出在相邻两缸的下缸盖处有明显的回流,这主要是由于相邻两缸通过相应上水口以很高的流速进入空间较大的下缸盖的水流互相作用产生的结果。在第1缸和第3缸的外侧也有回流产生。下缸盖中的冷却水以平均9 m/s的速度进入上缸盖,在上缸盖的冷却水流动较好,各缸冷却水通道处的水流速度低,即各缸之间的冷却水气相流动少。另外也可以看出第1缸缸体中的水流速度较大,因为该缸所处的缸排冷却水是通过第一缸流入的,第3缸缸体中的水流速度最小。

4 网格因素对计算结果的影响
   
  在进行CFD分析时,遇到的一个普遍关注的问题是网格数量和网格品质本文将在下面两节中探讨网格品质和网格数量对计算结果的影响,其中δmax值代表6缸中出口处冷却水流量的计算值与测量值的最大相对误差,取绝对值。

    4.1网格数量的影响
   
  保持各计算方案中的壁面条件均为无滑移、光滑、绝热辟面,在相同的网格品质下,考查不同的网格数量对模拟计算结果的影响。
   
  如图8所示,当网格数量增大到300万的时候,不同网格品质的各计算方案的CFD计算精度接近;网格品质为0.20和0.30的两条曲线较为接近,当网格数量达到200万后曲线更为接近。而且从图中还可以看出,在网格品质较差的时候,提高网格数量对模拟计算精度的影响有较明显的作用,当网格品质达到0.20后,网格数量对模拟计算精度的影响较小,特别是当网格品质达到0.30后影响更小。

  考虑计算精度和计算时间的双重因素,在满足工程设计精度要求的前提下,为了缩短研发时间加快研发进度,对于本6缸模型应选择200万网格数量的网格。

    4.2网格品质的影响
   
  保持计算时的赔面条件均为无滑移、光滑、绝热壁面,考虑在相同的网格数量情况下,不同的网格品质对模拟计算结果的影响。
   
  如图9所示,当网格品质达到0.30后,不同网格数量的各计算方案下的CFD计算精度接近。当网格数量为100万时,即网格数量较少的情况下,网格品质的改变对CFD计算的影响较为显著。当网格品质达到0.20后,网格数量为200万和300万的曲线较靠近,即这两种方案下的CFD计算精度相近。


    
  由于网格生成所需的人力时间占一个计算任务全部人力时间的60%~80%,而要得到高网格品质的网格需要的时间更多,因此需在模拟计算精度与整个CFD工程时间进度上做最优化选择网格品质选为0.20应为最佳选择。

5 结论
   
  1)从试验结果和计算结果的数据比较可以看出,CFD计算结果与试验结果较接近,CFD计算的可靠性还是令人满意的,可以用于工程计算。
   
  2)该发动机各缸冷却水流量均匀性较好,但是下缸盖两进气门之间的鼻梁区水流速度较小,需要改进。
   
  3)网格数量、网格品质对CFD计算精度均有影响,但影响的程度各有所不同;当网格品质小于0.20时,网格数量对CFD计算精度的影响较为显著,随着网格品质的继续提高其作用变得不是很明显;当网格数量较少的时候,网格品质对CFD计算精度的影响较为显著,网格数量的选取还应考虑计算时间的囚素,对于本6缸发动机采用200万网格较佳。
   
  4)网格品质和网格数量之间有交互作用,二者的共同作用对CFD计算精度有重要影响。

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