CN106055738B - 一种发动机水套与本体温度场耦合模拟设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发动机水套与本体温度场耦合模拟设计方法，包括如下步骤：(1)收集发动机缸体、缸垫、缸盖、气门、座圈和导管的装配模型；(2)对几何模型进行分组；(3)对几何模型进行网格划分得到网格模型；(4)收集相关边界条件；(5)对步骤(3)得到的网格模型施加步骤(4)中的边界条件后进行直接流固耦合计算；(6)根据耦合计算结果，得到发动机水套换热边界和本体温度场。本发明发动机水套与本体直接耦合计算温度场，不仅可以在模拟水套流场时考虑壁面温度的影响，而且同步能够得到本体温度场来直接评价水套的冷却能力。不仅精确了水套的计算方法，也明确了水套设计的评价指标。
Description
技术领域
本发明涉及属于汽车发动机开发技术领域，特别涉及一种发动机水套与本体温度场耦合模拟设计方法。
背景技术
目前，发动机增压技术、直喷技术已被广泛应用，发动机小型化、轻量化趋势明显，伴随着发动机性能的提高，其燃烧热负荷水平越来越高，因此发动机水套对本体的冷却能力及本体温度场水平成为发动机开发过程中的关键因素，影响着发动机的性能和可靠性。发动机水套与本体直接耦合计算温度场，不仅可以在模拟水套流场时考虑壁面温度的影响，而且能够同步得到本体温度场来直接评价水套的冷却能力。不仅精确了水套的计算方法，也明确了水套设计的评价指标。当前对发动机本体温度场的计算方法，是采用间接耦合方式，即水套进行单独的流动分析后，将水套换热边界作为输入给结构分析进行温度场计算。当前方法需要反复多轮的相互映射边界，才能得到准确结果，其计算繁琐、周期很长，不利于水套的设计优化工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种发动机水套与本体温度场耦合模拟设计方法，该方法运用直接流固耦合计算发动机水套与本体温度场，从而更准确、快速地指导水套设计优化，评估本体温度场水平。可以在样件试制以前，在计算机虚拟环境中同步模拟发动机水套的流场和本体的温度场，同时也可以依据温度场结果进行多方案水套设计优化，提高了研发效率。具体技术方案如下：
一种发动机水套与本体温度场耦合模拟设计方法，包括如下步骤：
(1)收集发动机缸体、缸垫、缸盖、气门、座圈和导管的装配模型；
(2)对几何模型进行分组；
(3)对几何模型进行网格划分得到网格模型；
(4)收集相关边界条件；
(5)对步骤(3)得到的网格模型施加步骤(4)中的边界条件后进行直接流固耦合计算；
(6)根据耦合计算结果，得到发动机水套换热边界和本体温度场。
进一步地，步骤(4)中所述边界条件包括发动机内部热边界、各部件材料属性、水泵流量等。
进一步地，步骤(2)中根据网格设置与边界设置要求进行分组，和/或，步骤(3)中网格模型与实际模型相吻合，且网格的数量可以兼顾计算精度与计算速度。
进一步地，收集发动机内部热边界之前，完成相应的燃烧计算，并映射得到所需的热边界文件。
进一步地，步骤(5)中按如下步骤进行热边界条件添加：
(5-1)将以网格单元号表示的热边界文件转换为以三维坐标表示的热边界文件；
(5-2)将所有的以三维坐标表示的热边界文件导入计算软件中；
(5-3)在对应的边界分组中选择以对流换热的形式来添加对应的环境温度和表面换热系数热边界。
进一步地，步骤(5)中按如下步骤进行热边界条件添加：
(5-1)将以网格单元号表示的热边界文件转换为以三维坐标表示的热边界文件；
(5-2)将所有的以三维坐标表示的热边界文件导入计算软件中；
(5-3)依据对流换热牛顿冷却公式建立相应的热通量场函数，转化为叠加的热通量热边界；
(5-4)在缸筒和气门-座圈密封面边界分组中选择以热通量的形式来添加对应的热通量热边界。
进一步地，步骤(5)中，不同部件的材料属性与其物理模型和计算域一一对应。
进一步地，步骤(5)中，水套入口以流量形式进行边界添加。
进一步地，进一步包括步骤(7)：结合水套流场与本体温度场结果评估冷却水平和温度水平，进行多方案水套设计优化。
进一步地，步骤(2)和(3)所述的几何模型基于发动机坐标的装配模型，其中气门与座圈处于闭合状态。
本发明运用直接流固耦合计算思想，同时建立流体和固体的网格模型进行传热计算，本体的温度场分布直接反映了水套的优劣，将水套流场与本体温度场结合起来，共同指导水套的设计优化工作。与目前现有技术相比，本发明发动机水套与本体直接耦合计算温度场，不仅可以在模拟水套流场时考虑壁面温度的影响，而且同步能够得到本体温度场来直接评价水套的冷却能力。不仅精确了水套的计算方法，也明确了水套设计的评价指标。通过以上步骤，可以在样件试制以前，在计算机虚拟环境中同步模拟发动机水套的流场和本体的温度场；同时也可以依据温度场结果进行多方案水套设计优化，提高了研发效率。
附图说明
图1是发动机本体的结构示意图；
图2是内部水套的结构示意图；
图3是环境温度和表面换热系数热边界；
图4是缸筒的热通量热边界；
图5是气门-座圈密封面的热通量热边界；
图6是缸体、缸盖部件温度场云图；
图7是水套近壁面换热系数云图；
图8是本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
在一个优选实施例中，包括如下步骤：(A)收集发动机缸体、缸垫、缸盖、气门、座圈和导管的装配模型，并对几何模型进行分组、网格划分；(B)收集发动机内部热边界、各部件材料属性、水泵流量等边界条件；(C)对步骤A得到的网格模型施加步骤B中的边界条件后进行直接流固耦合计算；(D)根据耦合计算结果，得到发动机水套换热边界和本体温度场。通过以上步骤，可以在样件试制以前，在计算机虚拟环境中同步模拟发动机水套的流场和本体的温度场；同时也可以依据温度场结果进行多方案水套设计优化，提高了研发效率。
在另一个优选实施例中，可以采用如下方案：一种发动机水套与本体温度场耦合计算方法，包括如下步骤：(A)收集发动机缸体、缸垫、缸盖、气门、座圈和导管的装配模型，并对几何模型进行分组、网格划分；(B)收集发动机内部热边界、各部件材料属性、水泵流量等边界条件；(C)对步骤A得到的网格模型施加步骤B中的边界条件后进行直接流固耦合计算；(D)根据耦合计算结果，得到发动机水套换热边界和本体温度场。
步骤A所述的几何模型，应为基于发动机坐标的装配模型，其中气门与座圈处于闭合状态。所述的步骤B中，前置任务为完成相应的燃烧计算并映射得到热边界文件。所述的步骤C中，可按如下步骤进行热边界添加：(C11)通过插件的方式完成可用热边界文件转换；(C12)将可用热边界文件导入为Table形式；(C13)选择以对流换热的形式来添加对应的环境温度和表面换热系数热边界。
所述的步骤C中，添加缸筒和气门-座圈密封面的热边界时，步骤C13删除；步骤C12之后包括如下步骤添加：(C14)建立热通量场函数，生成叠加的热通量热边界；(C15)选择以热通量的形式来添加对应的热通量热边界。
所述的步骤C中，不同部件的材料属性须与其物理模型和计算域一一对应。所述的步骤C中，水套入口以流量形式进行边界添加。所述的步骤D中，结合水套流场与本体温度场结果评估冷却水平和温度水平，进行多方案水套设计优化。
参照图8，一种发动机水套与本体温度场耦合计算方法，包括如下步骤：(A)收集发动机缸体、缸垫、缸盖、气门、座圈和导管的装配模型，并对几何模型进行分组、网格划分；(B)收集发动机内部热边界、各部件材料属性、水泵流量等边界条件；(C)对步骤A得到的网格模型施加步骤B中的边界条件后进行直接流固耦合计算；(D)根据耦合计算结果，得到发动机水套换热边界和本体温度场。本方法的基本思想是：运用直接流固耦合计算思想，同时建立流体和固体的网格模型进行传热计算，本体的温度场分布直接反映了水套的优劣，将水套流场与本体温度场结合起来，共同指导水套的设计优化工作。
图1和图2分别为发动机本体和内部水套的结构示意图，各部件几何模型为基于发动机坐标的装配模型，其中气门与座圈处于闭合状态。所述步骤A中，网格划分之前，一般可根据不同网格设置与不同边界设置要求来进行合理分组，在网格划分的过程中，既要保证网格模型与实际模型的吻合，又要注意控制网格数量以保证计算速度。
发动机内部热边界主要来源于缸内燃烧传热，因此所述的步骤B中，前置任务为完成相应的燃烧计算并映射得到所需的热边界文件。
通常燃烧计算映射得到的热边界文件是以单元号表示的热边界数据，需要转换为可直接利用的热边界文件，所述的步骤C中，可按如下步骤进行热边界条件添加：(C11)将以网格单元号表示的热边界文件转换为以三维坐标表示的热边界文件，可以通过编写插件的方式在前处理软件中完成此项工作；(C12)将所有的以三维坐标表示的热边界文件以Table形式导入计算软件中；(C13)在对应的边界分组中选择以对流换热的形式来添加对应的环境温度和表面换热系数热边界，如图3所示。
值得注意的是，缸筒和气门-座圈密封面的热边界添加较其它边界分组有一定差别，缸筒为多种热边界(燃烧传热、活塞传热、摩擦生热等)叠加，而气门-座圈密封面则是以接触形式存在，这两个边界分组均需要以热通量的形式添加热边界。因此缸筒和气门-座圈密封面热边界添加时，步骤C13删除；步骤C12之后包括如下步骤：(C14)依据对流换热牛顿冷却公式建立相应的热通量场函数，转化为叠加的热通量热边界；(C15)在缸筒和气门-座圈密封面边界分组中选择以热通量的形式来添加对应的热通量热边界，如图4-5所示。
在所述的步骤A中包含缸体、缸盖等多种部件，有流体域与固体域的区分，且各部分材料属性均不相同，因此在所述的步骤C中，不同部件的材料属性须与其物理模型和计算域一一对应。水套区域作为唯一流体域，受水泵驱动，因此水套入口以流量形式进行边界添加。
图6是缸体、缸盖部件温度场云图，可直观反映出部件的温度分布趋势和最高温度值，由温度场分布趋势可分析温度场的均匀性、合理性，由最高温度值可评估部件温度是否满足设计限值要求。
同时，将水套流场与本体温度场结合起来，一方面以水套的换热边界来评估水套冷却能力，如图7所示，分析水套整体的冷却均匀性，保证关键区域有较高的换热系数。另一方面本体的温度分布可直接反映出水套的优劣，不仅量化了水套的冷却水平，还明确了水套的优化方向。
通过本发明的技术方案，可以在样件试制以前，在计算机虚拟环境中同步模拟发动机水套的流场和本体的温度场；同时也可以依据温度场结果进行多方案水套优化设计，提高了研发效果。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种发动机水套与本体温度场耦合模拟设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)收集发动机缸体、缸垫、缸盖、气门、座圈和导管的几何模型；
(2)对几何模型进行分组；
(3)对几何模型进行网格划分得到网格模型；
(4)收集相关边界条件；
(5)对步骤(3)得到的网格模型施加步骤(4)中的边界条件后进行直接流固耦合计算；
(6)根据耦合计算结果，得到发动机水套换热边界和本体温度场；
步骤(5)中按如下步骤进行热边界条件添加：
(5-1)将以网格单元号表示的热边界文件转换为以三维坐标表示的热边界文件；
(5-2)将所有的以三维坐标表示的热边界文件导入计算软件中；
(5-3)在对应的边界分组中选择以对流换热的形式来添加对应的环境温度和表面换热系数热边界。
2.如权利要求1所述的发动机水套与本体温度场耦合模拟设计方法，其特征在于，步骤(4)中所述边界条件包括发动机内部热边界、各部件材料属性、及水泵流量，所述各部件是指发动机缸体、缸垫、缸盖、气门、座圈及导管。
3.如权利要求1或2所述的发动机水套与本体温度场耦合模拟设计方法，其特征在于，步骤(2)中根据网格设置与边界设置要求进行分组，和/或，步骤(3)中网格模型与实际模型相吻合，且网格的数量兼顾计算精度与计算速度。
4.如权利要求2所述的发动机水套与本体温度场耦合模拟设计方法，其特征在于，收集发动机内部热边界之前，完成相应的燃烧计算，并映射得到所需的热边界文件。
5.如权利要求4所述的发动机水套与本体温度场耦合模拟设计方法，其特征在于，步骤(5)中按如下步骤进行热边界条件添加：
(5-1)将以网格单元号表示的热边界文件转换为以三维坐标表示的热边界文件；
(5-2)将所有的以三维坐标表示的热边界文件导入计算软件中；
(5-3)依据对流换热牛顿冷却公式建立相应的热通量场函数，转化为叠加的热通量热边界；
(5-4)在缸筒和气门-座圈密封面边界分组中选择以热通量的形式来添加对应的热通量热边界。
6.如权利要求1或2所述的发动机水套与本体温度场耦合模拟设计方法，其特征在于，步骤(5)中，不同部件的材料属性与其物理模型和计算域一一对应。
7.如权利要求1或2所述的发动机水套与本体温度场耦合模拟设计方法，其特征在于，步骤(5)中，水套入口以流量形式进行边界添加。
8.如权利要求1或2所述的发动机水套与本体温度场耦合模拟设计方法，其特征在于，进一步包括步骤(7)：结合水套流场与本体温度场结果评估冷却水平和温度水平，进行多方案水套设计优化。
9.如权利要求1或2所述的发动机水套与本体温度场耦合模拟设计方法，其特征在于，步骤(2)和(3)所述的几何模型基于发动机坐标的装配模型，其中气门与座圈处于闭合状态。
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