基于两相流沸腾传热模型的缸盖温度场辨析

杨靖等

摘要：为了更精确地研究发动机缸盖温度场的分布，在Eular多相流模型的基础上，结合Rohsenow核态沸腾传热模型，建立新的可用于内燃机缸盖水腔内过冷沸腾数值模拟的两相流模型.以某汽油机缸盖为研究对象，分别采用BDL和Rohsenow两种传热模型，利用CFD技术对其进行流固耦合传热计算和分析.结果表明，采用Rohsenow沸腾传热模型能够比BDL沸腾模型更精确地计算缸盖温度场；缸盖的最高温度192.22 ℃，最大应力156 MPa，均满足缸盖材料的强度条件.

关键词：缸盖；温度场；两相流；沸腾传热

中图分类号：TK412.2文献标识码：A

An Analysis on Thermal Load of Cylinder Head Based

on Twophase Flow Boiling Heat Transfer

YANG Jing1，2 ， ZHANG Siyuan 1，2 ， LIU Kaimin 1，2， WANG Yi 1，2，

GUO Huali 1，2， SUN Cheng1，2，LI Ke1，2

（1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body， Hunan Univ， Changsha， Hunan410082，China；

2. Research Center for Advanced Powertrain Technology， Hunan Univ，Changsha， Hunan410082，China）

Abstract：To study the temperature field distribution of engine cylinder head more precisely， based on the Euler multiphase model， a new twophase flow model combining the Rohsenow core boiling heat transfer model was established， which can be used for the numerical simulation of subcooled boiling. Applying BDL and Rohsenow transfer models separately， the cylinder head fluidsolid coupling heat transfer system was simulated and analyzed with the CFD technology. The results have shown that the Rohsenow core boiling heat transfer model is more precise than the BDL model in calculating the temperature field of engine cylinder head. The highest temperature of the cylinder head is 192.22 ℃， and the maximum of stress is 235 MPa， both of which can meet the strength requirements of cylinder head materials.

Key words：cylinder head； temperature field； twophase flow； boiling heat transfer

气缸盖是发动机最核心、最复杂的工作零件之一，缸盖的燃烧室是发动机点火和燃烧的最重要场所.高温气体通过缸盖下表面将大量热量传递给缸盖内的冷却水，缸盖鼻梁区和气门座圈等位置成为缸盖上温度最高、热应力最大的部位[1].由于发动机缸盖恶劣的工作条件，其质量和使用寿命在很大程度上受到冷却系统的制约.研究表明，高压缩比、高增压、小排量技术将成为当今世界发动机技术的发展方向，发动机强化程度将会越来越高[2].发动机功率的提升必然会面临高强度下的热负荷问题.因此发动机缸盖的高温冷却技术成为研究冷却系统的重点.

近年来，由于实验研究的昂贵成本和计算机技术的不断发展，流固耦合传热仿真方法越来越普遍地被应用于实际发动机的开发过程[3].常用的发动机冷却水传热计算模型有Chen模型和BDL模型[4].BDL模型是从Chen模型改进而来的，考虑了局部流动参数和饱和状态对沸腾传热的影响，更加适用于局部流动传热计算[5].白曙[6]将Chen和BDL两种模型进行了计算和试验对比，表明后者的计算精度更高.董非等[7]将BDL模型进行了修正，提高了过冷流动沸腾传热的精度，但属于单相对流传热，没有考虑

相变的影响.刘永等[8]利用编程也开发出一种沸腾传热模型，但亦属于单相对流传热，并且计算过程比较复杂，不易实现.

本文在Euler多相流模型的基础上将Rohsenow核态沸腾换热准则方程应用于沸腾换热的两相热流传递，对比分析了两相流沸腾传热与BDL单相沸腾传热的计算精度.然后以某高速四缸汽油机气缸盖为研究对象，以该沸腾传热模型为基础，对其进行了考虑沸腾传热的流固耦合计算，得到了缸盖的温度场和应力场分布，并分析了两相沸腾传热对缸盖冷却的影响和气缸盖鼻梁区的气泡堵塞状况.

1传热模型的数学描述

1.1两相流基本方程

两相流模型可分为均相模型和分相模型两种.均相模型是把两相介质看做均匀介质，介质的参数取两相平均参数，然后再根据单相均匀介质建立两相流基本方程；分相模型则是把两相分成两种单相流动，即气相和液相，介质的参数分别取各自的介质参数进行运算.为了提高模拟的精度，本文采用分相模型来解释两相流的基本流动过程.