CN108984920B - 一种发动机冷却水套的直接流固耦合传热分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发动机冷却水套的直接流固耦合传热分析方法，包括：1、建立固体域和流体域参数化几何模型；2、网格划分和网格质量检查；3、定义材料属性；4、定义边界条件；5、定义耦合传热Interface界面；6、设置求解器参数；7、执行考虑沸腾换热影响的直接流固耦合传热分析并获得计算结果。本发明能弥补传统发动机冷却水套设计过程中无法有效评估固体域和流体域之间传热过程和冷却液流动状况，并规避因缸盖火力面的鼻梁区温度过高造成开裂失效的风险。

Description

一种发动机冷却水套的直接流固耦合传热分析方法
技术领域
本发明涉及内燃机冷却系统技术领域，特别涉及一种发动机冷却水套的直接流固耦合传热分析方法。
背景技术
发动机缸盖内部结构复杂，零部件工作环境恶劣，缸盖火力面必须承受高温、高压和废气侵蚀，缸盖内部冷却水腔结构设计直接与冷却液流动和传热状态密切相关，尤其精确预测缸盖火力面的鼻梁区流速、热传导和对流换热以及沸腾换热状况对改善发动机缸盖使用寿命和可靠性有着极为重要的指导意义和实用价值。
发动机冷却水套绝大部分区域所接触的壁面温度较低，单位面积传热量较小，即热流密度低，这些部位的传热主要以对流换热为主，而在排气入口位置，即缸盖火力面的鼻梁区受高温燃气冲击的影响，热流密度高，缸盖火力面的鼻梁区对应的冷却液壁面温度相比其它区域高很多，冷却液可能出现沸腾产生气泡的现象，此时传热方式将由对流换热转变成以沸腾换热为主。若冷却水套内腔高温接触区域仅呈泡核沸腾传热则有助于高热负荷区的换热，可以降低缸盖最高工作温度和减少冷却液流量以及冷却系统功耗，故发动机冷却水套采用对流换热和局部泡核沸腾换热相结合的传热方式较为理想，然而，沸腾传热稳定性较差且难以有效控制，即泡核沸腾传热可能直接演变成过渡沸腾状态，甚至会转变为膜态沸腾状态，即加热壁面处形成气膜，阻碍冷却液与壁面接触换热，反而导致缸盖热负荷急剧上升，从而出现缸盖火力面的鼻梁区开裂失效的问题。
发明内容
本发明目的在于弥补传统发动机冷却水套设计过程中无法有效评估固体域和流体域之间传热过程和冷却液流动状况，提出一种考虑沸腾换热影响的发动机冷却水套的直接流固耦合传热分析方法，以期能在发动机概念设计阶段对冷却水套的冷却效果进行有效评估，以规避因缸盖火力面的鼻梁区温度过高而造成开裂失效的风险。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种发动机冷却水套的直接流固耦合传热分析方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、使用CAD建模软件采用自顶向下的建模方法建立固体域和流体域的参数化几何模型，并导出所述参数化几何模型的stp格式文件；所述固体域由缸体、缸盖和排气歧管组成，所述流体域是指冷却水套；
步骤2、将所述参数化几何模型的stp格式文件导入至Hyperworks软件中，使用所述Hyperworks软件中的Hypermesh网格划分模块工具分别建立所述固体域和流体域的网格模型，并使用所述Hyperworks软件中的网格质量检查工具Mesh Check对所述网格模型进行质量检查，分别输出固体域和流体域的cas网格文件，从而将所述cas网格文件导入ANSYS软件中；
步骤3、在所述ANSYS软件的Material材料模块中为所述固体域指定固体材料属性，并为所述流体域指定冷却液材料属性，从而将所述固体材料属性和冷却液材料属性分别以dat格式文件导入所述ANSYS软件的Material Definition材料定义窗口中；所述固体材料属性包括随温度变化的密度、导热系数和比热容；所述冷却液材料属性包括随温度变化的流体密度、比热容和导热系数；
步骤4、定义边界条件：
步骤4.1、采用GT-Power软件建立发动机整机热力学模型，并针对发动机额定工况点执行所述发动机整机热力学的仿真，从而得到一维热力学边界条件，所述一维热力学边界条件的进口边界为随曲轴转角变化的质量流量和温度，出口边界为静压和温度；
步骤4.2、应用三维CFD流体动力学分析软件建立缸内瞬态分析模型，并使用所述一维热力学边界条件对所述缸内瞬态分析模型施加边界，同时在所述缸内瞬态分析模型中激活Species气体组分和CFD-FEA Coupling耦合模块，从而执行发动机缸内进气、压缩、燃烧和排气的瞬态模拟仿真，得到所述固体域的进气道和排气道、缸套壁面、缸盖火力面和活塞顶部表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度；最后，在所述CFD-FEACoupling耦合模块中对所述瞬态换热系数和近壁面气体温度进行时均化处理，得到时均化的换热系数和近壁面气体温度作为CFD数据；
步骤4.3、在所述ANSYS软件中将所述CFD数据映射至所述固体域的cas网格文件中的缸体的缸套FEA面网格和缸盖火力面的FEA面网格，从而得到所述固体域的气体侧对流换热的热边界条件；
步骤5、在所述ANSYS软件中分别选择固体域和流体域的耦合网格并将所述耦合网格设置为GGI类型的耦合传热Interface界面，从而利用所述耦合传热Interface界面计算所述流体域和固体域之间的对流换热；所述耦合网格为固体域的冷却水腔内壁面网格和流体域的外表面网格；
步骤6、设置求解器参数
步骤6.1、在所述ANSYS软件的求解器中选择一个沸腾传热模型并激活；
步骤6.2、在所述求解器中激活k-e湍流模型，并在壁面求解中选用标准壁面函数为StandardWall Function，选用壁面传热模型为HybridWall Function；
步骤6.3、设置固体域计算的温度以及流体域计算的速度、动量、湍动能和温度的收敛残差值；
步骤7、根据所设置的求解器参数，在所述ANSYS软件中启用多个CPU处理器对所述固体域和流体域的直接流固耦合传热过程执行Parallel并行计算，直到所述收敛残差值达到收敛标准，从而得到所述固体域的温度场和流体域流场的计算结果，所述计算结果包括温度场，压力、流速、流量分布和换热系数，以及各缸火力面的鼻梁区最大温差和最高温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的一种发动机冷却水套分析方法，即考虑沸腾换热影响的直接流固耦合传热分析方法，可以在发动机概念设计阶段，直接计算获得固体域和流体域温度场分布情况，并了解到发动机各缸火力面的鼻梁区最大温差和最高温度，然后依据缸盖火力面的鼻梁区温度值可以判定是否存在开裂的风险，从而解决了发动机耐久试验时缸盖出现开裂的问题，提高了缸盖使用寿命。
2、本发明通过缸内瞬态分析模型，获得了固体域的进气道和排气道、缸套壁面、缸盖火力面和活塞顶部表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度，经时均化处理后映射至固体域的cas网格文件中的缸体的缸套FEA面网格和缸盖火力面的FEA面网格，提供了更为精确的热边界条件，而非依据经验为固体域的气体侧指定一个估算的换热系数和近壁面气体温度，从而提高了固体域温度场计算结果的精度。
3、本发明通过设置耦合传热Interface界面可以实现固体域和流体域之间的传热过程，解决了对单独的流体域和固体域分别执行流动和传热分析时，无法事先给定固体域的冷却水腔内壁面和流体域外表面的精确的热边界条件的问题。
4、本发明通过选择并激活一个沸腾传热模型，考虑了冷却液沸腾换热对计算结果的影响，克服了仅考虑流体域中液态冷却液的对流换热所导致的缸盖火力面的鼻梁区计算温度值比实际测试温度值偏高的问题。
5、本发明依据考虑沸腾换热影响的直接流固耦合传热的计算结果可以发现冷却水套流动死区存在位置，从而解决了在概念设计阶段无法预先评估固体域的冷却水腔流动情况的问题。
附图说明
图1展示为本发明的发动机冷却水套分析方法流程图。
具体实施方式
本实施例中，一种考虑沸腾换热影响的发动机冷却水套的直接流固耦合传热分析方法，如图1所示，主要包括以下步骤：1、建立固体域和流体域的参数化几何模型，导出stp格式文件；2、执行网格划分建立网格模型，并进行网格质量检查，然后导出cas网格文件；3、在ANSYS软件中定义材料属性；4、在GT-PowerGT-Power软件建立发动机整机热力学模型，并针对发动机额定工况点执行发动机整机热力学的仿真，从而得到缸内瞬态分析所需的一维热力学边界条件；在ANSYS软件中定义边界条件，包括将时均化换热系数和近壁面温度的CFD数据映射至固体域的FEA面网格；若计算结果不满足设计要求，将固体域的气体侧温度映射至流体域的CFD面网格；5、定义耦合传热Interface界面，设置耦合形式为GGI类型；6、设置求解器参数；7、执行考虑沸腾换热影响的直接流固耦合传热分析并获得计算结果，同时检查计算结果是否满足设计要求，若不满足设计要求则重复步骤1至步骤的过程；若满足设计要求，则完成计算分析报告的撰写并将报告存档，最终完成整个分析任务。具体的说，其实施步骤描述如下：
步骤1、使用CAD建模软件采用自顶向下的建模方法建立固体域和流体域的参数化几何模型，并导出固体域和流体域的参数化几何模型的stp格式文件；固体域由缸体、缸盖和排气歧管组成，流体域是指冷却水套；参数化几何模型可以通过更改尺寸实现固体域的几何模型的自动更新，以便于依据计算结果对固体域的几何模型进行调整；
步骤2、将参数化几何模型的stp格式文件导入至Hyperworks软件中，使用Hyperworks软件中的Hypermesh网格划分模块工具分别建立固体域和流体域的网格模型，并使用Hyperworks软件中的网格质量检查工具Mesh Check对网格模型进行质量检查，分别输出固体域和流体域的cas网格文件，从而将cas网格文件导入ANSYS软件中；本实施例中，固体域网格类型为二阶四面体单元，流体域网格类型由一阶四面体、六面体和棱柱单元组成。
步骤3、在ANSYS软件的Material材料模块中为固体域指定固体材料属性，并为流体域指定冷却液材料属性，从而将固体材料属性和冷却液材料属性分别以dat格式文件导入到ANSYS软件的Material Definition窗口中；固体材料属性包括随温度变化的密度、导热系数和比热容；冷却液材料属性包括随温度变化的流体密度、比热容和导热系数；
步骤4、定义边界条件：
步骤4.1、采用GT-Power软件建立发动机整机热力学模型，并针对发动机额定工况点执行发动机整机热力学的仿真，从而得到缸内瞬态分析所需的一维热力学边界条件；一维热力学边界条件的进口边界为随曲轴转角变化的质量流量和温度，出口边界为静压和温度；
步骤4.2、应用三维CFD流体力学分析软件建立缸内瞬态分析模型，并使用一维热力学边界条件对缸内瞬态分析模型施加边界，同时在缸内瞬态分析模型中激活Species气体组分和CFD-FEACoupling耦合模块，从而执行发动机缸内进气、压缩、燃烧和排气的瞬态模拟仿真，得到固体域的进气道和排气道、缸套壁面、缸盖火力面和活塞顶部表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度；最后，在CFD-FEACoupling耦合模块中对计算得到的瞬态换热系数和近壁面气体温度进行时均化处理，得到基于时均化的换热系数和近壁面气体温度作为CFD数据；
步骤4.3、在ANSYS软件中将CFD数据映射至固体域的cas网格文件中的缸体的缸套FEA面网格和缸盖火力面的FEA面网格，从而得到固体域的气体侧对流换热的热边界条件；
步骤5、在ANSYS软件中分别选择缸体和缸盖的耦合网格，随后将耦合网格设置为GGI类型的耦合传热Interface界面，从而利用耦合传热Interface界面计算流体域和固体域之间的对流换热；耦合网格为固体域的冷却水腔内壁面网格和流体域外表面网格；依据能量守恒原理可知，可用式(1)来描述在流固传热Interface界面位置，经固体域热传导的能量应与流体域所吸收的能量相等。
Figure BDA0001739989080000051
式(1)中，K为固体域的导热系数；n为固体域传热方向的单位向量；Q为热流密度；Tw为固体域的冷却水腔内壁面温度；Tf为流体域的冷却液温度；h为流固传热Interface界面上的局部对流传热系数。
步骤6、设置求解器参数
步骤6.1、在ANSYS软件的求解器中选择一个沸腾传热模型并激活；流体域外表面与固体域的冷却水腔内壁面之间的沸腾传热量由两部分组成，即未出现气泡沸腾的受热面属于液态冷却液对流换热，而已发生气泡沸腾的受热面则为气泡沸腾换热，流体域外表面总的传热量为对流换热和沸腾传热之和，如式(2)所示。
qtotal＝hconv(Twall-Tbulk)+hnuc(Twall-Tsat)Schen (2)
式(2)中，qtotal为流体域外表面总的传热量；hconv为液态冷却液对流换热系数；hnuc为泡核沸腾换热系数；Twall为固体域与流体域的流固传热Interface界面上的壁面温度；Tbulk为局部冷却液温度；Tsat为冷却液的饱和温度；Schen为强制对流对沸腾换热的抑制因子。
步骤6.2、在ANSYS软件的求解器中激活k-e湍流模型，并在壁面求解中选用标准壁面函数为Standard Wall Function，选用壁面传热模型为Hybrid Wall Function；
步骤6.3、设置固体域计算的温度以及流体域计算的速度、动量、湍动能和温度的收敛残差值；
步骤7、根据所设置的求解器参数，在ANSYS软件中启用多个CPU处理器对所述固体域和流体域的直接流固耦合传热过程执行Parallel并行计算，直到固体域计算的温度和流体域计算的速度、动量、湍动能和温度的收敛残差值达到收敛标准，本实施例中，本次迭代计算与上次迭代计算值之间的相对偏差小于1e-4则视为计算过程收敛，从而得到固体域温度场和流体域流场的计算结果，所得到的计算结果包括温度场，压力、流速、流量分布和换热系数，以及各缸火力面的鼻梁区最大温差和最高温度；若计算结果无法满足设计限值要求，则重新修改参数化几何模型，然后重复步骤1至步骤7的过程，直至达到设计要求为止；若步骤7中计算结果满足设计要求，则完成计算分析报告的撰写并将报告存档，最终完成整个分析任务。

Claims (1)

1.一种发动机冷却水套的直接流固耦合传热分析方法，其特征是按如下步骤进行：
步骤1、使用CAD建模软件采用自顶向下的建模方法建立固体域和流体域的参数化几何模型，并导出所述参数化几何模型的stp格式文件；所述固体域由缸体、缸盖和排气歧管组成，所述流体域是指冷却水套；
步骤2、将所述参数化几何模型的stp格式文件导入至Hyperworks软件中，使用所述Hyperworks软件中的Hypermesh网格划分模块工具分别建立所述固体域和流体域的网格模型，并使用所述Hyperworks软件中的网格质量检查工具Mesh Check对所述网格模型进行质量检查，分别输出固体域和流体域的cas网格文件，从而将所述cas网格文件导入ANSYS软件中；
步骤3、在所述ANSYS软件的Material材料模块中为所述固体域指定固体材料属性，并为所述流体域指定冷却液材料属性，从而将所述固体材料属性和冷却液材料属性分别以dat格式文件导入所述ANSYS软件的Material Definition材料定义窗口中；所述固体材料属性包括随温度变化的密度、导热系数和比热容；所述冷却液材料属性包括随温度变化的流体密度、比热容和导热系数；
步骤4、定义边界条件：
步骤4.1、采用GT-Power软件建立发动机整机热力学模型，并针对发动机额定工况点执行所述发动机整机热力学的仿真，从而得到一维热力学边界条件，所述一维热力学边界条件的进口边界为随曲轴转角变化的质量流量和温度，出口边界为静压和温度；
步骤4.2、应用三维CFD流体动力学分析软件建立缸内瞬态分析模型，并使用所述一维热力学边界条件对所述缸内瞬态分析模型施加边界，同时在所述缸内瞬态分析模型中激活Species气体组分和CFD-FEA Coupling耦合模块，从而执行发动机缸内进气、压缩、燃烧和排气的瞬态模拟仿真，得到所述固体域的进气道和排气道、缸套壁面、缸盖火力面和活塞顶部表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度；最后，在所述CFD-FEACoupling耦合模块中对所述瞬态换热系数和近壁面气体温度进行时均化处理，得到时均化的换热系数和近壁面气体温度作为CFD数据；
步骤4.3、在所述ANSYS软件中将所述CFD数据映射至所述固体域的cas网格文件中的缸体的缸套FEA面网格和缸盖火力面的FEA面网格，从而得到所述固体域的气体侧对流换热的热边界条件；
步骤5、在所述ANSYS软件中分别选择固体域和流体域的耦合网格并将所述耦合网格设置为GGI类型的耦合传热Interface界面，从而利用所述耦合传热Interface界面计算所述流体域和固体域之间的对流换热；所述耦合网格为固体域的冷却水腔内壁面网格和流体域的外表面网格；
步骤6、设置求解器参数
步骤6.1、在所述ANSYS软件的求解器中选择一个沸腾传热模型并激活；
步骤6.2、在所述求解器中激活k-e湍流模型，并在壁面求解中选用标准壁面函数为Standard Wall Function，选用壁面传热模型为Hybrid Wall Function；
步骤6.3、设置固体域计算的温度以及流体域计算的速度、动量、湍动能和温度的收敛残差值；
步骤7、根据所设置的求解器参数，在所述ANSYS软件中启用多个CPU处理器对所述固体域和流体域的直接流固耦合传热过程执行Parallel并行计算，直到所述收敛残差值达到收敛标准，从而得到所述固体域的温度场和流体域流场的计算结果，所述计算结果包括温度场，压力、流速、流量分布和换热系数，以及各缸火力面的鼻梁区最大温差和最高温度。
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