CN114017175B - 发动机水套分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及本发明发动机水套分析方法，本发明采用对水套换热，水套流动两个对标方法，对标换热：对发动机水套做温升测试，对标热分析中水套温度升高值，更新水套分析中边界层的设置。提高水套分析中传热部分的准确性；直接通过毛细管流动，直接测试毛细管流速，和分析流速做直接的对比；为了壁面边界层可以适应壁面换热函数，计算更加准确；通过计算水套温升和测试水套温升作对比，调节边界层网格厚度，最终计算温升和测试吻合，同时找出壁面函数适应性的无量纲值Y＋，为后续项目建立计算标准。

Description

发动机水套分析方法
技术领域
本发明涉及发动机分析方法，具体的说，是涉及一种发动机水套分析方法。
背景技术
目前，水套CFD流动换热分析都是通过水套进出口的流量或者进出水压差测试数据对水套分析和试验做对标，这些对标只是对宏观参数，无法对局部流动，换热两个主要参数做对标。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种提高水套分析中传热部分的准确性的发动机水套分析方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种发动机水套分析方法，包括如下步骤：
步骤s100，创建水套3D数模；
步骤s101，水套网格划分；水套3D数模中导入水套表面网格，分别对缸体、缸盖、缸垫水套生成基于几何表面网格及线网格生成基础网格尺寸3mm的体网格；水套厚度小于4mm，倒角区域进行网格细化；
步骤s102，边界层的设置；设置边界层网格层数为1层，边界层厚度2mm，连接缸体、缸盖、缸垫水套交界面，完成水套体网格的划分；为了在计算精度以及计算速度两块做平衡，为了提高壁面函数的适应性。
步骤s103，水套进水温度，流量设置；进水温度95℃；水套流量150l/m；
步骤s104，水套壁面温度设置；壁面温度最初按照缸体100℃，缸盖120℃；
步骤s105，利用质量守恒的连续性方程，动量守恒的动量方程(N-S方程)，软件后台进行速度，温度，压力迭代计算；
步骤s106，提取水套进出口温差，边界层Y+值；
步骤s107，水套进出口的测试温差和软件计算温差对比；
步骤s108，判断水套测试温差和计算温差是否超过设定值；超过设定值跳转步骤s109，否则跳转步骤s110；
步骤s109，边界层重新设置厚度；
步骤s110，模型输出。
优选的，通过加工缸盖，在分析过程中的排气门之间的鼻梁区，以及流速偏低区域在缸盖水套壁面挖孔，用可视的玻璃代替缸盖壁面，做成透明缸盖，在水套壁面处贴毛细管，玻璃和缸盖壁面接口处，用玻璃胶密封；电机驱动发动机倒拖运转；
调节到额定点转速，透过玻璃观察毛细管的流动方向和流动速度,和计算水套的流场做对比，特别是一些流动死区(流速基本为0，毛细管不动区域)，目的直观的验证分析方法以及边界的准确性。
本发明相对现有技术的有益效果：
本发明发动机水套分析方法，提高了验证的分析的准确性，保证后续缸体缸盖的可靠性。
对标换热：对发动机水套做温升测试，对标热分析中水套温度升高值，更新水套分析中边界层的设置。
本发明发动机水套分析方法，通过调节边界层设置，计算Y+值，找出合适的边界层厚度，提高边界层壁面换热函数对于换热的适应性，换热函数对于换热的描述准确度，依托于换热函数是否和Y+匹配，如果匹配，最终可以提高水套分析中传热部分的准确性。
对标流动：
现有技术都只是对标进出口压力，流量等，没有对水套内部流动做对标，本发明直接通过毛细管流动，直接观察毛细管流线(定性直观看到毛细管的流动方向，直线流动还是曲线旋转)，和计算的流动方向做对比，从计算结果得到流线是直线流动还是曲线旋转。根据测试流动状态和计算的流线对比，最终判断计算的准确度，可信度。
为了准确模拟水套壁面换热，对壁面网格做一层边界层，目的是为了壁面边界层可以适应壁面换热函数，计算更加准确。
通过计算水套温升和测试水套温升作对比，调节边界层网格厚度，用试算的方法，获得水套边界层网格的Y+值，并使水套总体边界层网格Y+值为：11—300之间，通过水套整体流速情况调整边界层网格厚度在如下数值范围内1.5mm,1mm,0.5mm,0.25mm；重新划分生成水套体网格，直至水套总体边界层Y+值进入20-100区间内，最终找到0.5mm边界层，计算得到Y+值50左右(10—100之间最合适)，得到的水套温差和实际最接近最终计算温升和测试吻合。
Y+是一个无量纲数，代表了边界层网格流动特性，Y+表示的是壁面函数的适用性。
本发明采用湍流模型使用k-zeta-f模型,壁面函数使用混合壁面函数.从图中可以看出对数层完全湍流区有一段较好的取值解(Y+为10以上位置)，此时求解的流速与温度符合壁面法则。
对标流动，缸盖水套剖开，在水套腔体帖毛细管，用透明的玻璃(水套壁面形状)封住缸盖水套，观察毛细管的流速以及流动情况；并且和仿真结果做对比。如果发现测试流动状态和计算流动结果有差异，确定数模状态是否正确，以及各个出口的背压是否需要调整。由于出口压力会影响流动状态。
附图说明
图1是发动机水套分析方法的流程图；
图2是发动机水套分析方法的过渡层速度分布图。
具体实施方式
以下参照附图及实施例对本发明进行详细的说明：
附图1和2可知，一种发动机水套分析方法，包括如下步骤：
步骤s100，创建水套3D数模；
步骤s101，水套网格划分；水套3D数模中导入水套表面网格，分别对缸体、缸盖、缸垫水套生成基于几何表面网格及线网格生成基础网格尺寸3mm的体网格；水套厚度小于4mm，倒角等局部区域进行网格细化；
步骤s102，边界层的设置；为了在计算精度以及计算速度两块做平衡，设置边界层网格层数为1层，为了壁面函数的适应性，边界层厚度2mm，连接缸体、缸盖、缸垫水套交界面，完成水套体网格的划分；
骤s103，水套进水温度，流量设置；进水温度95℃；水套流量150l/m；
步骤s104，水套壁面温度设置；壁面温度最初按照缸体100℃，缸盖120℃；
步骤s105，利用质量守恒的连续性方程，动量守恒的动量方程(N-S方程)，能量守恒方程软件后台进行速度，温度，压力迭代计算；
步骤s106，提取水套进出口温差，边界层Y+值；
步骤s107，水套出口的测试温差和软件计算温差对比；
步骤s108，判断水套测试温差和计算温差是否超过设定值；超过设定值跳转步骤s109，否则跳转步骤s110；
步骤s109，边界层重新设置厚度；
步骤s110，模型输出。
根据理论计算，越小的边界层，越接近实际情况，但过小边界层会增加计算周期，同时太小壁面函数适应性也不准确。
基于以上原因，用试算的方法，获得水套边界层网格的Y+值，并使水套总体边界层网格Y+值为：11—300之间，通过水套整体流速情况调整边界层网格厚度在如下数值范围内1.5mm,1mm,0.5mm,0.25mm；重新划分生成水套体网格，直至水套总体边界层Y+值进入20-100区间内，最终找到0.5mm边界层，计算得到Y+值50左右(10—100之间最合适)，得到的水套温差和实际最接近。由于水套模型换热准确，确保了后续设计。
优选的，通过加工缸盖，在某些区域(分析过程中的关键流动区域，以及流速偏低区域)在缸盖水套壁面挖孔，用可视的玻璃代替缸盖壁面，做成透明缸盖，在水套壁面处贴毛细管，玻璃和缸盖壁面接口处，用玻璃胶密封；电机驱动发动机倒拖运转；
调节到额定点转速，透过玻璃观察毛细管的流动方向和流动速度,和计算水套的流场做对比，特别是一些流动死区(流速基本为0，毛细管不动区域)，目的直观的验证分析方法以及边界的准确性。
本发明发动机水套分析方法，提高了验证的分析的准确性，保证后续缸体缸盖的可靠性。通过调节边界层设置，计算Y+值，找出合适的边界层厚度，提高边界层壁面换热函数对于换热的适应性，换热函数对于换热的描述准确度，依托于换热函数是否和Y+匹配，如果匹配，最终可以提高水套分析中传热部分的准确性。
对标换热：对发动机水套做温升测试，对标热分析中水套温度升高值，更新水套分析中边界层的设置。
通过调节边界层设置，计算Y+值，找出合适的边界层厚度，提高边界层壁面换热函数对于换热的适应性，最终提高水套分析中传热部分的准确性。
对标流动，现有技术都只是对标进出口压力，流量等，没有对水套内部流动做对标，本发明直接通过毛细管流动，直接观察毛细管流线(定性直观看到毛细管的流动方向，直线流动还是曲线旋转)，和计算的流动方向做对比，从计算结果得到流线是直线流动还是曲线旋转。根据测试流动状态和计算的流线对比，最终判断计算的准确度，可信度。
为了准确模拟水套壁面换热，对壁面网格做一层边界层，目的是为了壁面边界层可以适应壁面换热函数，计算更加准确。
通过计算水套温升和测试水套温升作对比，调节边界层网格厚度，最终计算温升和测试吻合。
Y+是一个无量纲数，代表了边界层网格流动特性，Y+表示的是壁面函数的适用性。
Figure BDA0003300741270000061
其中，y表示离壁面的距离，uτ为壁面附近流体的剪切速度，v为运动粘度，u为主流速度。
Y+的意义其实是y处漩涡的典型雷诺数，也反映了粘性影响随y的变化，根据Y+的大小。
本发明采用湍流模型使用k-zeta-f模型,壁面函数使用混合壁面函数，从图中可以看出对数层完全湍流区有一段较好的取值解(Y+为10以上位置)，此时求解的流速与温度符合壁面法则。
对标流动，缸盖水套剖开，在水套腔体帖毛细管，用透明的玻璃(水套壁面形状)封住缸盖水套，观察毛细管的流速以及流动情况；并且和仿真结果做对比。如果发现测试流动状态和计算流动结果有差异，确定数模状态是否正确，以及各个出口的背压是否需要调整。由于出口压力会影响流动状态。
把通过计算水套温升和测试水套温升作对比，调节边界层网格厚度，最终计算温升和测试吻合，调节边界层网格厚度(2mm,1.5mm,1mm,0.5mm,0.25mm)，最终找到该水套边界层0.5mm的边界层厚度的计算温升和测试吻合，同时找出壁面流动模拟的壁面函数适应性的无量纲值Y+，只有为Y+在一定范围，壁面函数才适应求解的流速与温度符合壁面函数法则，后续项目建立计算标准。
对标流动过程如下：
缸盖水套剖开，在水套腔体帖毛细管，用透明的玻璃(水套壁面形状)封住缸盖水套，直接观察毛细管流线(定性直观看到毛细管的流动方向，直线流动还是曲线旋转)，和计算的流动方向最对比，从计算结果得到流线是直线流动还是曲线旋转，进行对比。如果发现测试流动状态和计算流动结果有差异，确定数模状态是否正确，以及各个出口的背压是否需要调整。由于出口压力会影响流动状态。
为了准确模拟水套壁面换热，对壁面网格做一层边界层，目的是为了壁面边界层可以适应壁面换热函数。计算更加准确。
通过计算水套温升和测试水套温升作对比，调节边界层网格厚度，最终计算温升和测试吻合，同时找出壁面函数适应性的无量纲值Y+，为后续项目建立计算标准。
换热对标：
水套换热主要是由壁面边界层的换热决定，根据壁面换热函数的适应性，Y+值取11——200比较合适，但范围比较大，针对不同水套设计，以及流速等因素，其准确性不是很高。
A、首先确定分析工况为发动机额度点，4600rpm。
B、水套3D数模中导入水套表面网格，分别对缸体、缸盖、缸垫水套生成基于几何表面网格及线网格生成基础网格尺寸3mm的体网格，并对局部区域进行网格细化，设置边界层网格层数为1层，边界层厚度2mm，连接缸体、缸盖、缸垫水套交界面，完成水套体网格的划分。
C、水套流量150l/m，壁面温度最初按照缸体100℃，缸盖120℃，(第二次按照有限元计算值输入)，进水温度95℃，完成以上设置，开始计算。
D、提取水套出口温度，对标水套测试温差和计算温差，初始边界层按照2mm设置，计算得到的Y+值基本在100左右，符合壁面函数适应性的推荐，但计算水套进出口温差6℃，而测试温差为8℃，有较大差距，因此需要重新调整边界层厚度，找到更加合适的壁面换热函数的适应性Y+值，根据理论计算，越小的边界层，越接近实际情况，但过小边界层会增加计算周期，同时太小壁面函数适应性也不准确。基于以上原因，用试算的方法，获得水套边界层网格的Y+值，并使水套总体边界层网格分别Y+值11—300之间，通过水套整体流速情况调整边界层网格厚度在如下数值范围内1.5mm,1mm,0.5mm,0.25mm,重新划分生成水套体网格，直至水套总体边界层Y+值进入20-100区间内，最终找到0.5mm边界层，计算得到Y+值50左右(10—100之间最合适)，得到的水套温差和实际最接近。由于水套模型换热准确，确保了后续工作。
流速对标：是换热对标的基础，由于流速是换热的一个影响参数，只有流速没有问题，换热才可以对标准确。
流速根据测试毛线的运动，和计算的流速做对比，标定计算流速模型，可以认为换热和流速基本成线性的关系，流速越快，换热量越大。
同时，流速和换热是水套分析过程中最主要的两个输出参数，只要两个参数准确，水套分析也就准确了。
通过加工缸盖，在某些区域(分析过程中的关键流动区域，以及流速偏低区域)在缸盖水套壁面挖孔，用可视的玻璃代替缸盖壁面，做成透明缸盖，在水套壁面处贴毛细管，玻璃和缸盖壁面接口处，用玻璃胶密封。电机驱动发动机倒拖运转，调节到额定点转速，透过玻璃观察毛细管的流动方向和流动速度,和计算水套的流场做对比，特别是一些流动死区(流速基本为0，毛细管不动区域)，目的直观的验证分析方法以及边界的准确性。
本发明一发动机实际温升对标水套换热模型，水套边界层厚度0.5mm,计算值最接近实际水套温升。
本发明一发动机实际温升对标水套换热模型，水套边界层厚度0.5mm,计算值最接近实际水套温升。
Figure BDA0003300741270000091
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的结构作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明的技术方案范围内。

Claims (2)

1.一种发动机水套分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤s100，创建水套3D数模；
步骤s101，水套网格划分；水套3D数模中导入水套表面网格，分别对缸体、缸盖、缸垫水套生成基于几何表面网格及线网格生成基础网格尺寸3mm的体网格；水套厚度小于4mm，倒角区域进行网格细化；
步骤s102，边界层的设置；设置边界层网格层数为1层，边界层厚度2mm，连接缸体、缸盖、缸垫水套交界面，完成水套体网格的划分；
步骤s103，水套进水温度，流量设置；进水温度95℃；水套流量150l/m；
步骤s104，水套壁面温度设置；壁面温度最初按照缸体100℃，缸盖120℃；
步骤s105，利用质量守恒的连续性方程，动量守恒的动量方程进行速度，温度，压力迭代计算；
步骤s106，提取水套进出口温差，边界层Y+值；
步骤s107，水套进出口的测试温差和计算温差对比；
步骤s108，判断水套测试温差和计算温差是否超过设定值；超过设定值跳转步骤s109，否则跳转步骤s110；
步骤s109，边界层重新设置厚度；
步骤s110，模型输出；
通过调节边界层设置，计算Y+值，找出合适的边界层厚度，提高边界层壁面换热函数对于换热的适应性，换热函数对于换热的描述准确度，依托于换热函数是否和Y+匹配；
调节边界层网格厚度，用试算的方法，获得水套边界层网格的Y+值，并使水套总体边界层网格Y+值为：11—300之间，通过水套整体流速情况调整边界层网格厚度在如下数值范围内1.5mm,1mm,0.5mm,0.25mm；重新划分生成水套体网格，直至水套总体边界层Y+值进入20-100区间内，最终找到0.5mm边界层，计算得到Y+值为10—100之间，得到的水套温差和实际最接近最终计算温升和测试吻合；
Y+是一个无量纲数，代表了边界层网格流动特性，Y+表示的是壁面函数的适用性；
Figure FDA0003886445810000021
其中，y表示离壁面的距离，uτ为壁面附近流体的剪切速度，v为运动粘度，u为主流速度；
Y+的意义其实是y处漩涡的典型雷诺数，也反映了粘性影响随y的变化。
2.根据权利要求1所述发动机水套分析方法，其特征在于：
通过加工缸盖，在排气门之间的鼻梁区，以及流速小于0.3m/s的区域在缸盖水套壁面挖孔，用可视的玻璃代替缸盖壁面，做成透明缸盖，在水套壁面处贴毛细管，玻璃和缸盖壁面接口处，用玻璃胶密封；电机驱动发动机倒拖运转；
调节到额定点转速，透过玻璃观察毛细管的流动方向和流动速度,和计算水套的流场做对比，包括一些流动死区，目的是直观的验证分析方法以及边界的准确性。
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