基于流固耦合分析的某汽油机缸盖温度场分布仿真分析

基于流固耦合分析的某汽油机缸盖温度场分布

仿真分析

白鹭 [1,2]，赵铮[1,2]

（1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北保定市 071000

2.河北省汽车工程技术研究中心，河北保定市 071000）

摘要：在发动机运行过程中温度是影响发动机可靠性的重要因素之一，包括发动机机体的温度和循环冷却液的温度。本文利用STAR-CCM+软件内部流固耦合功能对某汽油机缸盖进行流固耦合分析，对发动机在额定工况点的缸盖温度场分布和冷却液温度分布进行分析，并将计算结果与试验进行了对比。

关键词：STAR-CCM+；流固耦合；缸盖温度场；

0前言

随着现代发动机性能不断的提高，发动机所承受的温度也在不断增加，而发动机缸盖是发动机最复杂和重要的零部件之一。在发动机运行过程中温度也是影响发动机可靠性的重要因素，因此在发动机设计阶段精确的分析发动机缸盖温度场是必要的。运用流固耦合的分析方法对发动机流体和固体进行多次的迭代可以精确的预测出发动机缸盖温度场的分布和冷却液温度的分布。

1分析方法

本文利用STAR-CCM+内部Co-simulation功能对发动机缸盖进行流固耦合计算。分析采用对流体和固体分别建立不同的sim文件模型进行直接-直接耦合的模拟方式，即发动机的固体域（缸体、缸盖、缸垫、进排气门、进排气门座圈、进排气门导管）建立一个模型，发动机流体域（冷却水套）建立一个模型。

流体域作为主模型先行计算，收敛之后将交互面的温度和对流换热系数通过map方式传递给从模型（固体域）。然后使模型计算直至收敛，再将交互面的温度计算结果传递给主模型。如此循环直至两个模型计算均达到收敛，进而得到准确的缸盖温度场分布和冷却液的温度分布。

2计算模型及边界

2.1 CFD模型

计算包括六个固体域，分别为：发动机缸体、发动机缸盖、发动机缸垫、进排气门、进排气门座圈、进排气门导管；一个流体域：发动机冷却水套，如图1所示。

固体域流体域

图1计算域CFD模型

长城汽车动力研究院，CAE部，Tel：0312-*******，Email：engine_cae@https://www.360docs.net/doc/441433697.html,

流体域和固体域均采用CCM+软件中的Trimmer 模型生成体网格，五个固体域之间互相接触的表面做interface 面用于能量的传递，流体域需生成边界层网格，边界层层数为2层，厚度为1mm 。

两个模型都需要预先定义交互面（冷却水套表面）用于数据传递。

2.2 边界条件设定

2.2.1固体域边界条件设定

固体域主要对与高温气体接触的边界进行温度和换热系数的设定（温度和换热系数由燃烧计算的到）。热边界包括：燃烧室顶面、进排气道、进排气门、进排气门座圈、缸套内壁。其中进排气门由于气门头部处于燃烧室内部温度和换热系数较气门杆部有很大差异因此两部分需分开设定；燃烧室排气道之间鼻梁区位置（图中区域1）为热负荷较高区域，因此此位置的边界也要与其他区域（图中区域2）分开设定；缸套内壁由上至下分为三个区域，如图2所示。与冷却液接触的表面的温度和换热系数由流体域计算得到，其它与大气接触的表面传热方式设置为绝热。

图2 边界区域划分

2.2.2流体域边界条件设定

流体域设定进口流量、出口压力边界，壁面温度边界由固体域计算得到，具体参数如图3所示。

图3 流体域边界条件 3 计算结果

3.1 固体域计算结果

计算共迭代20次达到收敛，经过流固耦合计算得到缸盖温度场分布，如图4~5所示。计算结果表明缸盖最高温度分布在排气道之间鼻梁区。

进口流量：4.02kg/s

出口压力：1.5bar 进口流量：-0.46kg/s 进口流量：-0.17kg/s

图4缸盖燃烧室侧温度场分布

图5缸盖排气侧温度场分布

3.2 流体域计算结果

经过耦合计算，发动机冷却水套进出口冷却液温差为5℃。流体温度场和固体温度场分布如图6~7所示。

图6冷却液温度分布

图7水套固体壁面温度分布

4 计算结果与试验对比

4.1 试验简介

本文将计算结果与发动机缸盖温度测试试验进行了对比。发动机缸盖温度测试试验是发动机在额定工况下运行2小时后对缸盖温度进行测试，缸盖共布置15个温度测点，测点位置如图8所示。

图8缸盖温度测点布置示意图

4.2对比结果

本文对四个缸15个测点的计算结果进行了统计并与实验结果进行了对比，各缸表面温度对比结果如图9所示，各缸表面平均温度对比结果如图10所示。经对比表明缸盖温度计算值与实验值吻合的较好。

图9各缸表面温度

图10各缸表面平均温度

5总结

本文利用STAR-CCM+内部Co-simulation功能对发动机缸盖进行流固耦合计算，并将计算结果与试验结果进行了对比，计算共进行了20次迭代达到收敛。经过分析和与试验的对比可以看出此种分析方法准确的预测了缸盖温度场分布和冷却液温度的分布。可为以后的缸盖热应力计算提供更为准确的边界条件，也可以预测发动机在部分负荷工况下的缸盖温度分布。

参考文献

[1]杨世铭陶文铨编《传热学》高等教育出版社 2006

[2]S. Etemad, C. F. Stein and S. Eriksson《Heat Transfer Analysis and Cycle AveragedHeat Flux Prediction by Means of

CFD and its V alidation for an IC-Engine》2005-01-2029

[3]Etemad, S., Wallesten, J., Stein, C.F., Eriksson, S. and Johansson, K. "CFD-Analysis of Cycle Averaged Heat Flux and

Engine Cooling in an IC-Engine", SAE Paper No. 2005-01-0200, 2005.