CN104951629A - 一种发动机整机水套流固直接耦合换热分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种发动机整机水套流固直接耦合换热分析方法，包括如下步骤：S101、流体域与固体域统一建模。S102、流体域与固体域统一划分网格。S103、流体域与固体域之间设定耦合面用于交换温度数据。本发明将流体域与固体域统一建模、流体域与固体域统一划分网格，耦合面上完全共节点，数据交换便捷且零失真。与传统的发动机整机水套流固耦合换热分析法相比，本发明计算流程简单，减少了整机水套流固耦合换热分析的时间，提高了计算精度。

Description

一种发动机整机水套流固直接耦合换热分析方法

技术领域

本发明涉及发动机整机水套流固耦合换热分析技术领域，尤其涉及一种发动机整机水套流固直接耦合换热分析方法。

背景技术

传统的发动机整机水套流固耦合换热分析法是一种间接耦合计算方法，目前比较著名的内燃机研发公司如AVL与FEV都在使用此方法，此法将流体区域与固体区域分开建模并划分网格。具体计算过程中，先进行流体区域的单独计算，这时流体与固体交界面使用假设的温度边界条件，计算能够得到准确的流场和压力场以及基于假设温度边界的交界面对流换热系数(HTC)和壁面参考换热温度；将上面得到的交界面HTC和壁面参考换热温度作为边界条件加入固体区域的单独计算，从而得到新的流体与固体交界面的温度边界，可再次代入流体区域进行新一轮计算。如此进行几轮计算，交换数据趋于稳定，即可获得较为准确的流体区域和固体区域的温度场。但是，这种间接耦合计算方法存在以下不足：整个计算花费时间较长，以500万网格规模的计算域为例，一轮的计算时间为8至12个小时，4,5轮计算将花费近3天时间；整个计算中，流体域与固体域间接交换数据，两套网格不能共节点，数据交换会出现失真，计算残差只能控制在5％左右。

发明内容

本发明的目的在于通过一种发动机整机水套流固直接耦合换热分析方法，来解决以上背景技术部分提到的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种发动机整机水套流固直接耦合换热分析方法，其包括如下步骤：

S101、流体域与固体域统一建模；

S102、流体域与固体域统一划分网格；

S103、流体域与固体域之间设定耦合面用于交换温度数据。

特别地，所述步骤S101包括：基于原始固体结构表面分割出流固耦合面，封闭流固耦合面得到流体域，使计算域中同时存在固体域和流体域。

特别地，所述步骤S103包括：耦合面设定有独立的网格尺寸，计算中流体域与固体域均无需设定耦合面条件，在计算中耦合面会自动交换数据。

本发明提出的发动机整机水套流固直接耦合换热分析方法将流体域与固体域统一建模、流体域与固体域统一划分网格，耦合面上完全共节点，数据交换便捷且零失真。以500万网格规模的计算域为例，一次计算所耗总时间仅为3至4小时，计算残差可以控制在1‰之内。与传统的发动机整机水套流固耦合换热分析法相比，本发明计算流程简单，减少了整机水套流固耦合换热分析的时间，提高了计算精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的发动机整机水套流固直接耦合换热分析方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容，除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，不是旨在于限制本发明。

请参照图1所示，图1为本发明实施例提供的发动机整机水套流固直接耦合换热分析方法流程图。

本实施例中发动机整机水套流固直接耦合换热分析方法包括如下步骤：

S101、流体域与固体域统一建模。基于原始固体结构表面分割出流固耦合面，封闭流固耦合面得到流体域，使计算域中同时存在固体域和流体域。

S102、流体域与固体域统一划分网格。

S103、流体域与固体域之间设定耦合面用于交换温度数据。基于步骤S101所得到的几何结构划分网格，耦合面设定独立的网格尺寸。设定计算时，流体域与固体域都不需要设定耦合面条件，在计算中耦合面会自动交换数据，其他的边界条件设置与间接耦合法一致。

需要说明的是，基于目前较为通用的CFD商业软件(如FLUENT,STAR-CCM+)，就能实现流固耦合面的分割，流体域的封闭，耦合面的单独设置和自动交换数据。从而在一次计算中同时获得固体域与流体域的稳态温度场。

本发明的技术方案中流体域与固体域统一建模，与现有的间接耦合法相比，保证了耦合面的空间重合度，确保了两个区域网格的贴合；流体域与固体域统一划分网格，与现有的间接耦合法在两套软件环境下分别划分网格相比，保证了耦合面的网格尺寸的绝对统一，节点的几何位置也绝对一致，这样数据交换时不再需要进行插值计算，交换的数据不会失真；流体域与固体域之间设定耦合面用于交换温度数据，与现有的间接耦合法相比，交换数据更加便捷，不用将数据在两种软件环境下进行转移并进行多轮计算，只需要在单一软件环境下一次计算便可以得到结果。本发明简化了传统发动机整机水套流固耦合换热分析法的计算流程，减少了整机水套流固耦合换热分析的时间，提高了计算精度。本发明将流体域与固体域统一建模、流体域与固体域统一划分网格，耦合面上完全共节点，数据交换便捷且零失真。以500万网格规模的计算域为例，一次计算所耗总时间仅为3至4小时，计算残差可以控制在1‰之内。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (3)

1.一种发动机整机水套流固直接耦合换热分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101、流体域与固体域统一建模；

S102、流体域与固体域统一划分网格；

S103、流体域与固体域之间设定耦合面用于交换温度数据。

2.根据权利要求1所述的发动机整机水套流固直接耦合换热分析方法，其特征在于，所述步骤S101包括：基于原始固体结构表面分割出流固耦合面，封闭流固耦合面得到流体域，使计算域中同时存在固体域和流体域。

3.根据权利要求1或2任一项所述的发动机整机水套流固直接耦合换热分析方法，其特征在于，所述步骤S103包括：耦合面设定有独立的网格尺寸，计算中流体域与固体域均无需设定耦合面条件，在计算中耦合面会自动交换数据。