第25卷(2007第3期内燃机学报TransactionsofCSICEVol.25(2007No.3文章编号:100020909(20070320252206252041收稿日期:2006209214;修回日期:2006212215。作者简介:李迎,讲师,博士,E2mail:liying@cjlu.edu.cn。发动机冷却系统流固耦合稳态传热三维数值仿真李迎1,俞小莉2,陈红岩1,李孝禄1(1.中国计量学院机电工程学院,浙江杭州310018;2.浙江大学机械与能源工程学院,浙江杭州310027摘要:为解决发动机传热计算时冷却水与缸套、机体之间的流动与传热耦合边界问题,建立了———发动机活塞组缸套冷却水机体三维流固耦合系统,并利用有限元分析软件的流固耦合计算功能,把单个零件的传热外边界条件处理成内边界,使得传热仿真更合理更简单。以某增压柴油机为例,用有限元分析软件ANSYS对建立的三维流固耦合模型进行了稳态传热数值仿真,得到了耦合系统的温度场和流场云图。与标定工况下活塞和缸套的温度场测量数据进行了对比分析,结果表明:仿真结果与实测数据吻合较好,误差控制在80/0以内。由此说明应用流固耦合仿真方法可以较好地模拟发动机稳态传热。关键词:流固耦合;稳态传热;数值仿真;发动机中图分类号:TK421.1文献标志码:A32DSimulationofSteadyHeatTransferofFluid2SolidCoupledSysteminEngineCoolantSystemLIYing1,YUXiao2li2,CHENHong2yan1,LIXiao2Lu1(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China;2.CollegeofMechanicalandEnergyEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,ChinaAbstract:Tosolvethecoupledflowandheattransferboundaryproblembetweenthesolidcylinderandfluidcoolant,afluid2solidcoupledsystemincludingpiston2liner2coolant2bodywasestablished.ModernFEAsoftwarecansolvethefluid2solidcoupledheattransferproblembytransformingouterboundarycondi2tiontoinnerboundaryconditionandmakesheattransfersimulationmorereasonableandsimple.Asaveri2fyingexample,thesteadyheattransferofa32Dcoupledsysteminaturbochargeddieselenginewassimu2latedbyFEMsoftwarenamedANSYS.Comparisonbetweensimulationandmeasurementonthepistonandlinerattheratedoperationmodeshowsthatthesimulatedresultsareingoodagreementwithexperimentaldataandthedeviationislessthan8%.Thus,fluid2solidcoupledmethodcansimulatetheenginesteadyheattransfer.Keywords:Fluid2solidcoupledsystem;Steadyheattransfer;Numericalsimulation;Engines引言受到计算条件的软硬件方面限制,以往进行发动机传热计算时,对缸内燃气流动与传热、燃烧室零件传热、冷却系统和润滑系统的流动与传热的仿真模拟是单独研究的[1]。但是作为机械结构和传热特性都十分复杂的发动机来说,这种把零部件分别做独立研究的方法存在着重大缺陷,即不能体现各零件之间的相互影响关系,不能从全局反映发动机的工作状态。尤其是冷却水的流动与传热和缸套、机体之间的相互影响不能进行合理、透彻地分析[2]。由Morel[3]提出的将内燃机的缸内气体和全体燃烧室部件作为一个整体进行计算机模拟的全仿真模拟在现阶段还难以实现。近年来,很多有限元分析软件已经可以实现流固耦合传热仿真功能[4],考虑将此方法应用于发动机中传热关系比较复杂的冷却水和固体零件之间的流动与传热耦合仿真。应用流固耦合传热方法可以更深入地研究发动机工作时冷却水和固体零件之间的换热状态,同时将流体与固体之间的外边界条件变成相对简单的内边界进行处理。这样,不但使数值仿真更加符合发动机的实际工作状态,又减少了施加边界条件的复杂度。1微分方程及其求解1.1流动与传热微分方程发动机水套内冷却水的流动看作是三维无压缩的湍流,其流动和传热过程遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒定律。在有限元软件中,固体的传热也通过能量守恒方程求解。与流体传热不同之处在于其速度为零,其传热规律满足傅里叶导热定律。以张量形式表示的3个守恒方程及固体零件导热方程如式(1~式(4所示[5]。质量守恒方程为9ρ9t+Δ(ρU=0(1动量守恒方程为9(ρU9t=ρF-Δp+μΔU(2能量守恒方程为9(ρcpT9t=Φ+λΔT+ρq(3固...