柴油机缸套耦合传热有限元分析

郑清平，王雅纯，王琛秋，刘晓日，贾新颖，张盼盼

（1.河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401；2．天津雷沃发动机有限公司，天津 300402）

柴油机缸套耦合传热有限元分析

郑清平1，王雅纯1，王琛秋1，刘晓日1，贾新颖2，张盼盼1

（1.河北工业大学 能源与环境工程学院，天津 300401；2．天津雷沃发动机有限公司，天津 300402）

综合考虑燃烧室燃气侧及冷却水套侧共同传热的影响，在额定工况下对四缸增压柴油机缸套的传热过程进行模拟计算．通过对发动机缸内工作过程进行三维仿真分析，对冷却水套进行CFD模拟计算，得出燃气侧和水套侧温度和传热系数边界条件，并完成缸套的温度耦合有限元传热分析．研究结果表明：缸套上部出现温度峰值，最大值为472 K，与实验值有较好的吻合．

柴油机；流-固耦合；CFD模拟；有限元；传热

0 引言

柴油机为了满足对动力性及经济性日益严格的要求，压缩比不断增大，热负荷与机械负荷也随之增大，强化程度不断提高，因而需要对高温零部件强度进行有效分析和优化设计[1-3]．

由于气缸套顶部直接与燃气接触，且不被冷却，所以气缸套是内燃机零部件中处于最恶劣的工作条件的零件之一，其温度场、应力场和变形得到较多关注，流-固耦合应用到气缸套传热研究中，使得传热模型能够更加准确的反映实际工况[4-11]．李坤等[7]运用有限元分析法对气缸套进行三维温度场分析，比较了加载和未加载热负荷的应变情况，说明了缸套的变形分析时考虑热载荷作用的必要性．陈红岩等[10]采用流固整体耦合的方法对柴油机中活塞-缸套-冷却水组成的固流耦合传热系统进行分析，得到了较好的计算结果．李迎等[11]建立了活塞组-缸套-冷却水-机体三维流固耦合系统，运用有限元分析法，把单个零件的传热外边界条件处理成内边界，较好的模拟了发动机的稳态传热过程．

采用数值模拟和实验研究相结合的方法，研究了在额定工况下，四缸增压柴油机性能指标，综合考虑了发动机机体、缸套壁面、燃烧室侧及冷却水套侧对传热的共同影响，使用流-固耦合的方法对柴油机进行传热研究．

1 燃气侧传热边界条件

1.1 三维燃烧模型的建立

计算几何模型如图1所示，仿真区域主要包含3部分：燃烧室，进气道和排气道．气门重叠期、进气行程、压缩做功行程和排气行程中几个典型的体网格如图2所示，网格数分别为1 004 485、1 203 230、856 955和 1 203 230．

图1 缸内CFD计算模型图Fig.1 CFD calculations in cylinder model diagram

图2 不同曲轴转角下的体网格Fig.2 Volume grids under different crank angles

1.2 参数设置

在已经建立的CFD体网格中，将燃烧室边界设置为固定壁面，设置初始壁面温度为500 K；设置活塞边界条件为壁面边界，设置为移动壁面，通过网格的移动来表示活塞的运动．对于进口边界，分别给定瞬态质量流量和温度，这些瞬态值是从一维工作过程模拟中得到，如图3所示．

计算选用的模型包括：质量守恒、动量守恒、能量守恒三大守恒基本方程；气体状态方程；湍流模型涉及修正的双κ-ε模型；燃烧模型选择涡流破碎模型；缸内传热模型选取Woschni经验公式[8]．

图3 进气质量流量和温度Fig.3 Inlet mass flow rate and temperature

1.3 三维模拟结果

图4和图5分别给出了在750°CA下，燃烧室及进排气道的温度和传热系数的云图分布．由图可以看出，该角度下，燃烧火焰充满整个燃烧室，最高燃烧温度在油束边缘与空气接触区域．

图4 750°CA时温度分布图Fig.4 Temperature distribution of 750°CA

图5 750°CA时换热系数分布图Fig.5 Heat transfer coefficient distribution of 750°CA

1.4 传热边界映射

在完成缸内燃烧计算后，需要将燃气侧表面的温度和换热系数提取出来，并映射到缸套内表面壳网格上，最后得到映射结果．图6是缸套内侧边界的有效平均温度，在缸套轴线方向，越靠近缸盖位置上端温度越高，最高温度是767.03 K．最高温度出现在缸套上边缘处．因缸套上部与缸盖接触，这将使得缸盖上部附近集聚大量热量，使其成为系统中热量最高区域．因此，缸套顶部温度明显高于其上其他区域；缸套下半部分的温度整体偏低．图7为缸套内侧边界平均传热系数．传热系数的分布趋势与近壁面温度的分布趋势大体相似，均为缸套上部分较高，出现最大值，下部分较低．导出燃气侧的温度和传热系数作为有限元计算的输入条件．

图6 缸套内侧边界的有效平均温度云图Fig.6 Effective mean temperature profile of the innerboundary of cylinder liner

图7 缸套内侧边界的平均传热系数云图Fig.7 The average heat transfer coefficient of the inner boundary of cylinder liner

2 冷却水侧边界条件的确定

2.1 冷却水套模型的建立

以柴油机冷却水套几何模型为基础建立三维CFD模型，在额定工况下进行稳态流动模拟计算并进行结果分析；运用流-固耦合模块，得到冷却水侧的有限元边界条件．

冷却水套模型图如图8所示．冷却液从进水管进入后，由分水管流入各缸缸套水套中，然后流经缸套水套与缸盖水套间的上水孔，进入缸盖水套，最后从出水管中汇总流出．如此循环，完成对发动机的冷却．在几何模型基础上生成体网格，得到总数为1 869 865的网格，如图9所示．

2.2 参数的设置

湍流流动采用κ-ε模型[9]，使用壁面函数对近壁面区的边界进行处理，并采用控制体积法对控制方程进行离散化处理．额定工况冷却液侧缸盖壁面温度为393.15 K，缸套壁面温度383.15 K，冷却流体为1∶1混合的水与乙二醇，冷却流体密度为1 020 kg/m3，冷却流体入口温度359.15 K，冷却流体入口流量205 kg/min．

图8 冷却水套模型图Fig.8 Cooling jacket model

图9 水套体网格图Fig.9 Water jacket grid

2.3 三维模拟结果

水套流速分布如图10所示，分别展示了进水侧和排水侧（布置上水孔侧）的情况．在冷却换热过程中，整体冷却效果存在不均匀性，靠近进水管一侧的冷却水速度要高于另一侧．在进水口侧，缸套上部流速较高，最高流速能达到4.16 m/s，缸套底部流速明显比上部小．对于四缸冷却的流动情况，除了冷却液入水口流入的第1缸的流速较高外，其它3个缸体流速逐渐趋于均匀．

缸套水腔的换热系数分布如图11所示，最大换热系数在1缸，最大换热系数为20 565 W/（m2·K），换热系数按照缸数依次减小，这与冷却水流速依次降低吻合．进水侧换热系数均高于排水侧．

图11 换热系数分布图Fig.11 Heat transfer coefficient distribution

3 缸套温度有限元分析计算

3.1 模型及参数设置

耦合系统的温度场及热应力计算采用有限元软件完成，将前文得到的燃气侧与水侧温度与换热系数边界条件导入软件，其它边界条件采用经验值，缸套为合金铸铁，在柴油机额定工况条件下进行流-固耦合传热分析．图12所示的是耦合系统模型图，该图中主要包括缸套模型和机体模型两大部分．

3.2 有限元结果的分析

图13反映了耦合系统缸套部件的温度分布，可以发现缸套顶部是整个耦合系统温度最高的区域，峰值温度为472 K．这是因为缸套顶部长期处于高温燃气中，受高温的影响最大．当活塞处在上止点时，气缸套内壁面的最上端直接接触高温燃气，并且此区域不被冷却水冷却．由图14可以发现缸套内壁面温度呈现出沿着轴向逐渐降低的趋势．缸套上部温度明显高于下部，这对冷却系统提出了更高的要求．

3.3 计算结果验证

为了验证缸套的温度耦合结果的有效性，对柴油机缸套温度进行测量，实验时在距离缸套顶部4.5 mm处设置4个热电偶传感器，布置成对角，实测温度值分别为477.15 K、430 K、466 K、438 K．模拟和实测温度结果对比如图15所示，模拟值与实测值的最大误差小于5%，表明用流-固耦合的方法可以有效的模拟稳态工况下发动机缸套的耦合传热．

图12 耦合系统模型Fig.12 Model of coupled system

图13 缸套温度云图Fig.13 Cylinder temperature nephogram

4 结论

1）通过三维模拟对柴油机缸内燃烧过程进行研究，并且对燃气侧的温度和换热系数的计算结果进行提取，从而获得较准确的燃气侧换热边界条件．

2）冷却水套模拟分析表明，各缸冷却水套内的流动与换热分布较均匀，且缸体水套上部冷却效果好于下部．该计算结果为传热耦合计算提供了水套侧的换热边界条件．

3）耦合传热有限元计算结果表明，缸套温度出现在缸套的上部顶端，峰值温度为472 K，且与实验值有较好的吻合．

图14 气缸套内壁轴向温度变化Fig.14 Axial temperature variation of cylinder liner

图15 额定工况下温度模拟值和实测值对比Fig.15 Comparison of simulated and measured values under rated operating conditions

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FEA analysis of diesel engine cylinder liner coupled heat transfer

ZHENG Qingping1,WANG Yachun1,WANG Chenqiu1,LIU Xiaori1,JIA Xinying2,ZHANG Panpan1

（1.School of Energy and Environmental Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.Tianjin Lovol Engine Co.Ltd,Tianjin 300402,China）

For a four-cylinder-turbocharged-diesel engine,the heat transfer process of the diesel engine cylinder liner is simulated under the rated condition,considering the influence of the heat transfer between the gas side and the cooling jacket side.The gas side and water side heat transfer coefficient and temperature boundary conditions are achieved by 3D of in-cylinder working process simulation and CFD simulation of cooling water jacket,finite element analysis completed for cylinder temperature eventually.The results show that the peak value of temperature locate in the upper part of the cylinder liner,the max temperature is 472 K which has a good agreement with the experimental values.

diesel engine;fluid-solid coupling;CFD simulation;FEA;heat transfer

TH122

A

1007-2373（2017） 05-0051-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.05.009

2017-04-19

河北省高等学校科学技术研究项目（QN2016041）

郑清平（1965-），女，教授，qpzh163@163.com.

[责任编辑 田 丰]