搜索發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體缸蓋冷卻水CFD模擬計(jì)算與分析
2013-06-19 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
2 CFD仿真模擬
2.1發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋模型
本次分析的發(fā)動(dòng)機(jī)是一臺(tái)6缸V型增壓水冷柴油機(jī).首先用三維實(shí)體造型軟件proe繪制其三維模型缸體、缸蓋的冷卻水道三維實(shí)體模型見(jiàn)圖1。冷卻水經(jīng)由水泵送往進(jìn)水總管,然后通過(guò)兩個(gè)進(jìn)水支管通過(guò)冷卻水箱分別由第1和第4缸進(jìn)入左右兩排氣缸,冷卻水由各缸機(jī)體水道流向缸蓋水道,最后通過(guò)各缸缸蓋出水口流出。
2.2計(jì)算網(wǎng)格
計(jì)算網(wǎng)格的生成是計(jì)算流體力學(xué)和其他數(shù)值模擬技術(shù)的一個(gè)重要組成部分,是促使CFD工程實(shí)用化的一個(gè)重要因素網(wǎng)格品質(zhì)的好壞直接影響到數(shù)值解和氣動(dòng)力數(shù)據(jù)的計(jì)算精度,而且這種影響在許多情況下甚至是決定性的。目前,在CFD高度發(fā)達(dá)的美國(guó),網(wǎng)格生成所需的人力時(shí)間占一個(gè)計(jì)算任務(wù)全部人力時(shí)間的60%~80%,可見(jiàn)網(wǎng)格生成是CFD作為工程應(yīng)用的有效工具所面臨的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此計(jì)算網(wǎng)格生成受到世界各國(guó)計(jì)算流體力學(xué)工作者和工業(yè)部門(mén)的重視。
由于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋冷卻水逍模烈的復(fù)雜性,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不規(guī)則區(qū)域有特別適應(yīng)性,而且在有限體積法中引入非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格后,使得有限容積法和有限元法之間的差別縮小了,在某些情形下兩者是等價(jià)的,本計(jì)算分析劃分的網(wǎng)格均為四面體網(wǎng)格。根據(jù)實(shí)際情況及需要,本研究對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸蓋冷卻水道模型劃分了三種不同網(wǎng)格數(shù)量(分別為100萬(wàn)、200萬(wàn)和300萬(wàn)左右)、三種不同網(wǎng)格品質(zhì)(Mesh Quality)的網(wǎng)格(最低網(wǎng)格品質(zhì)分別達(dá)到0.05 , 0.20和0.30 )其中一組網(wǎng)格如圖2所示,網(wǎng)格質(zhì)量的定義見(jiàn)圖3。
2.3流體介質(zhì)及模擬狀態(tài)
為了保證與試驗(yàn)結(jié)果的可比性,CFD計(jì)算過(guò)程中冷卻液選用的是水。計(jì)算工況為發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定點(diǎn),此時(shí)水泵轉(zhuǎn)速為3666 r/min,冷卻液流量為871.6 L/min。采用穩(wěn)態(tài)的計(jì)算模式,在模擬計(jì)算過(guò)程中認(rèn)為冷卻液在機(jī)體、缸蓋冷卻水通道中的流動(dòng)是絕熱、不可壓縮的粘性湍流流動(dòng)。
2.4數(shù)學(xué)模型
1)流動(dòng)控制方程。
流動(dòng)計(jì)算建立在連續(xù)性方程,動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程基礎(chǔ)之上。
2)湍流模型。
常用的湍流模型有亞網(wǎng)格尺度模型、單方程模型、湍流模型,RNG k-ε湍流模型和雷諾應(yīng)力(RSM)模型等。每一種模型都有其優(yōu)缺點(diǎn),適合于不同的流動(dòng)形式。本文采用在工程上被廣泛使用,并且既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的k-ε雙方程湍流模型。
2.5邊界條件
1)壁面邊界。
本文選用絕熱無(wú)滑移的壁面邊界條件,采用CFX特有的Scalar賠面函數(shù)對(duì)邊界層的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行模擬。
2)進(jìn)出口邊界。
采用最為穩(wěn)健(Robust)的進(jìn)出口邊界條件組合方式是進(jìn)口流量/出口壓力或進(jìn)口流速/出口壓力,對(duì)于不可壓縮的流體這兩種組合方式是等價(jià)的。本次計(jì)算采用進(jìn)口流量/出口壓力的進(jìn)出口邊界條件。
2.6方程的離散和求解
采用CFX全隱式多網(wǎng)格耦合求解技術(shù),同時(shí)求解動(dòng)量方程和連續(xù)性方程。連續(xù)性方程及動(dòng)量方程采用高精度(High Resolution)格式,所有的湍流方程均采用一階迎風(fēng)格式,收斂條件選為均方根誤差小于10-5。
3 CFD結(jié)果分析
3.1各缸流量均勻性
圖4表小各缸流量計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的比較和各缸流量所占總流量的比例。從圖4可看出各缸計(jì)算流量值與試驗(yàn)測(cè)量值吻合較好,同時(shí)計(jì)算值反應(yīng)出的各缸流量的分配趨勢(shì)與測(cè)量值反應(yīng)出的趨勢(shì)吻合。在左、右各缸排中,中間的那個(gè)缸的流量相對(duì)其余兒缸流量均大。由各缸流量所占白分比看,各缸流量總的來(lái)說(shuō)流量分配較為均勻。
3.2重點(diǎn)區(qū)域的流速
如圖5所示,在下缸蓋截取相距10 mm的兩個(gè)平面,考查截面1和截面2處的速度云圖(見(jiàn)圖6)。
由于本模型為V型6缸機(jī),為了比較方便,將左、右缸排的相應(yīng)云圖放在一起比較。在圖6中,左邊從下往上依次是第1, 2和3缸相應(yīng)截面處的速度云圖,右邊從下往上依次是第4, 5和6缸相應(yīng)截面處的速度云圖。
從截面1和截面2處的云圖可以較為方便直接地看出,處于兩進(jìn)氣門(mén)之間鼻梁區(qū)域的流速在0.7m/s之間,流速較低;處于進(jìn)氣門(mén)和排氣門(mén)之間的兩個(gè)鼻梁區(qū)域的流速在2.0 m/s 左右,流速較高。由于本計(jì)算模型為高增壓大功率柴油發(fā)動(dòng)機(jī),因此需要改進(jìn)兩進(jìn)氣門(mén)之間的鼻梁區(qū)域結(jié)構(gòu),以提高流速。
3.3冷卻水流動(dòng)情況
圖7為第1~3缸的速度流線圖。由圖可清楚地看出在相鄰兩缸的下缸蓋處有明顯的回流,這主要是由于相鄰兩缸通過(guò)相應(yīng)上水口以很高的流速進(jìn)入空間較大的下缸蓋的水流互相作用產(chǎn)生的結(jié)果。在第1缸和第3缸的外側(cè)也有回流產(chǎn)生。下缸蓋中的冷卻水以平均9 m/s的速度進(jìn)入上缸蓋,在上缸蓋的冷卻水流動(dòng)較好,各缸冷卻水通道處的水流速度低,即各缸之間的冷卻水氣相流動(dòng)少。另外也可以看出第1缸缸體中的水流速度較大,因?yàn)樵摳姿幍母着爬鋮s水是通過(guò)第一缸流入的,第3缸缸體中的水流速度最小。
4 網(wǎng)格因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響
在進(jìn)行CFD分析時(shí),遇到的一個(gè)普遍關(guān)注的問(wèn)題是網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格品質(zhì)本文將在下面兩節(jié)中探討網(wǎng)格品質(zhì)和網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,其中δmax值代表6缸中出口處冷卻水流量的計(jì)算值與測(cè)量值的最大相對(duì)誤差,取絕對(duì)值。
4.1網(wǎng)格數(shù)量的影響
保持各計(jì)算方案中的壁面條件均為無(wú)滑移、光滑、絕熱辟面,在相同的網(wǎng)格品質(zhì)下,考查不同的網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果的影響。
如圖8所示,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增大到300萬(wàn)的時(shí)候,不同網(wǎng)格品質(zhì)的各計(jì)算方案的CFD計(jì)算精度接近;網(wǎng)格品質(zhì)為0.20和0.30的兩條曲線較為接近,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到200萬(wàn)后曲線更為接近。而且從圖中還可以看出,在網(wǎng)格品質(zhì)較差的時(shí)候,提高網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬計(jì)算精度的影響有較明顯的作用,當(dāng)網(wǎng)格品質(zhì)達(dá)到0.20后,網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模擬計(jì)算精度的影響較小,特別是當(dāng)網(wǎng)格品質(zhì)達(dá)到0.30后影響更小。
考慮計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間的雙重因素,在滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)精度要求的前提下,為了縮短研發(fā)時(shí)間加快研發(fā)進(jìn)度,對(duì)于本6缸模型應(yīng)選擇200萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量的網(wǎng)格。
4.2網(wǎng)格品質(zhì)的影響
保持計(jì)算時(shí)的賠面條件均為無(wú)滑移、光滑、絕熱壁面,考慮在相同的網(wǎng)格數(shù)量情況下,不同的網(wǎng)格品質(zhì)對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果的影響。
如圖9所示,當(dāng)網(wǎng)格品質(zhì)達(dá)到0.30后,不同網(wǎng)格數(shù)量的各計(jì)算方案下的CFD計(jì)算精度接近。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為100萬(wàn)時(shí),即網(wǎng)格數(shù)量較少的情況下,網(wǎng)格品質(zhì)的改變對(duì)CFD計(jì)算的影響較為顯著。當(dāng)網(wǎng)格品質(zhì)達(dá)到0.20后,網(wǎng)格數(shù)量為200萬(wàn)和300萬(wàn)的曲線較靠近,即這兩種方案下的CFD計(jì)算精度相近。
由于網(wǎng)格生成所需的人力時(shí)間占一個(gè)計(jì)算任務(wù)全部人力時(shí)間的60%~80%,而要得到高網(wǎng)格品質(zhì)的網(wǎng)格需要的時(shí)間更多,因此需在模擬計(jì)算精度與整個(gè)CFD工程時(shí)間進(jìn)度上做最優(yōu)化選擇網(wǎng)格品質(zhì)選為0.20應(yīng)為最佳選擇。
5 結(jié)論
1)從試驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果的數(shù)據(jù)比較可以看出,CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較接近,CFD計(jì)算的可靠性還是令人滿(mǎn)意的,可以用于工程計(jì)算。
2)該發(fā)動(dòng)機(jī)各缸冷卻水流量均勻性較好,但是下缸蓋兩進(jìn)氣門(mén)之間的鼻梁區(qū)水流速度較小,需要改進(jìn)。
3)網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格品質(zhì)對(duì)CFD計(jì)算精度均有影響,但影響的程度各有所不同;當(dāng)網(wǎng)格品質(zhì)小于0.20時(shí),網(wǎng)格數(shù)量對(duì)CFD計(jì)算精度的影響較為顯著,隨著網(wǎng)格品質(zhì)的繼續(xù)提高其作用變得不是很明顯;當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量較少的時(shí)候,網(wǎng)格品質(zhì)對(duì)CFD計(jì)算精度的影響較為顯著,網(wǎng)格數(shù)量的選取還應(yīng)考慮計(jì)算時(shí)間的囚素,對(duì)于本6缸發(fā)動(dòng)機(jī)采用200萬(wàn)網(wǎng)格較佳。
4)網(wǎng)格品質(zhì)和網(wǎng)格數(shù)量之間有交互作用,二者的共同作用對(duì)CFD計(jì)算精度有重要影響。
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