發(fā)動機機體缸蓋冷卻水CFD模擬計算與分析

2013-06-19  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

2 CFD仿真模擬

    2.1發(fā)動機機體、缸蓋模型
   
本次分析的發(fā)動機是一臺6缸V型增壓水冷柴油機.首先用三維實體造型軟件proe繪制其三維模型缸體、缸蓋的冷卻水道三維實體模型見圖1。冷卻水經由水泵送往進水總管,然后通過兩個進水支管通過冷卻水箱分別由第1和第4缸進入左右兩排氣缸,冷卻水由各缸機體水道流向缸蓋水道,最后通過各缸缸蓋出水口流出。

    2.2計算網格
   
計算網格的生成是計算流體力學和其他數(shù)值模擬技術的一個重要組成部分,是促使CFD工程實用化的一個重要因素網格品質的好壞直接影響到數(shù)值解和氣動力數(shù)據的計算精度,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)達的美國,網格生成所需的人力時間占一個計算任務全部人力時間的60%~80%,可見網格生成是CFD作為工程應用的有效工具所面臨的關鍵技術之一。因此計算網格生成受到世界各國計算流體力學工作者和工業(yè)部門的重視。
   
由于發(fā)動機機體、缸蓋冷卻水逍模烈的復雜性,非結構化網格不規(guī)則區(qū)域有特別適應性,而且在有限體積法中引入非結構化網格后,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的,本計算分析劃分的網格均為四面體網格。根據實際情況及需要,本研究對發(fā)動機機體、缸蓋冷卻水道模型劃分了三種不同網格數(shù)量(分別為100萬、200萬和300萬左右)、三種不同網格品質(Mesh Quality)的網格(最低網格品質分別達到0.05 , 0.20和0.30 )其中一組網格如圖2所示,網格質量的定義見圖3。

    2.3流體介質及模擬狀態(tài)
   
為了保證與試驗結果的可比性,CFD計算過程中冷卻液選用的是水。計算工況為發(fā)動機標定點,此時水泵轉速為3666 r/min,冷卻液流量為871.6 L/min。采用穩(wěn)態(tài)的計算模式,在模擬計算過程中認為冷卻液在機體、缸蓋冷卻水通道中的流動是絕熱、不可壓縮的粘性湍流流動。

    2.4數(shù)學模型
   
    1)流動控制方程。
   
    流動計算建立在連續(xù)性方程,動量守恒方程和能量守恒方程基礎之上。
   
    2)湍流模型。
   
常用的湍流模型有亞網格尺度模型、單方程模型、湍流模型,RNG k-ε湍流模型和雷諾應力(RSM)模型等。每一種模型都有其優(yōu)缺點,適合于不同的流動形式。本文采用在工程上被廣泛使用,并且既經濟又實用的k-ε雙方程湍流模型。

    2.5邊界條件
   
    1)壁面邊界。
   
本文選用絕熱無滑移的壁面邊界條件,采用CFX特有的Scalar賠面函數(shù)對邊界層的流動狀態(tài)進行模擬。
   
    2)進出口邊界。
采用最為穩(wěn)健(Robust)的進出口邊界條件組合方式是進口流量/出口壓力或進口流速/出口壓力,對于不可壓縮的流體這兩種組合方式是等價的。本次計算采用進口流量/出口壓力的進出口邊界條件。

    2.6方程的離散和求解
   
采用CFX全隱式多網格耦合求解技術,同時求解動量方程和連續(xù)性方程。連續(xù)性方程及動量方程采用高精度(High Resolution)格式,所有的湍流方程均采用一階迎風格式,收斂條件選為均方根誤差小于10-5。

3 CFD結果分析

    3.1各缸流量均勻性
   
圖4表小各缸流量計算結果及試驗測量結果的比較和各缸流量所占總流量的比例。從圖4可看出各缸計算流量值與試驗測量值吻合較好,同時計算值反應出的各缸流量的分配趨勢與測量值反應出的趨勢吻合。在左、右各缸排中,中間的那個缸的流量相對其余兒缸流量均大。由各缸流量所占白分比看,各缸流量總的來說流量分配較為均勻。

    3.2重點區(qū)域的流速
   
如圖5所示,在下缸蓋截取相距10 mm的兩個平面,考查截面1和截面2處的速度云圖(見圖6)。

由于本模型為V型6缸機,為了比較方便,將左、右缸排的相應云圖放在一起比較。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,處于兩進氣門之間鼻梁區(qū)域的流速在0.7m/s之間,流速較低;處于進氣門和排氣門之間的兩個鼻梁區(qū)域的流速在2.0 m/s 左右,流速較高。由于本計算模型為高增壓大功率柴油發(fā)動機,因此需要改進兩進氣門之間的鼻梁區(qū)域結構,以提高流速。

    3.3冷卻水流動情況
   
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相應上水口以很高的流速進入空間較大的下缸蓋的水流互相作用產生的結果。在第1缸和第3缸的外側也有回流產生。下缸蓋中的冷卻水以平均9 m/s的速度進入上缸蓋,在上缸蓋的冷卻水流動較好,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少。另外也可以看出第1缸缸體中的水流速度較大,因為該缸所處的缸排冷卻水是通過第一缸流入的,第3缸缸體中的水流速度最小。

4 網格因素對計算結果的影響
   
在進行CFD分析時,遇到的一個普遍關注的問題是網格數(shù)量和網格品質本文將在下面兩節(jié)中探討網格品質和網格數(shù)量對計算結果的影響,其中δmax值代表6缸中出口處冷卻水流量的計算值與測量值的最大相對誤差,取絕對值。

    4.1網格數(shù)量的影響
   
保持各計算方案中的壁面條件均為無滑移、光滑、絕熱辟面,在相同的網格品質下,考查不同的網格數(shù)量對模擬計算結果的影響。
   
如圖8所示,當網格數(shù)量增大到300萬的時候,不同網格品質的各計算方案的CFD計算精度接近;網格品質為0.20和0.30的兩條曲線較為接近,當網格數(shù)量達到200萬后曲線更為接近。而且從圖中還可以看出,在網格品質較差的時候,提高網格數(shù)量對模擬計算精度的影響有較明顯的作用,當網格品質達到0.20后,網格數(shù)量對模擬計算精度的影響較小,特別是當網格品質達到0.30后影響更小。

考慮計算精度和計算時間的雙重因素,在滿足工程設計精度要求的前提下,為了縮短研發(fā)時間加快研發(fā)進度,對于本6缸模型應選擇200萬網格數(shù)量的網格。

    4.2網格品質的影響
   
保持計算時的賠面條件均為無滑移、光滑、絕熱壁面,考慮在相同的網格數(shù)量情況下,不同的網格品質對模擬計算結果的影響。
   
如圖9所示,當網格品質達到0.30后,不同網格數(shù)量的各計算方案下的CFD計算精度接近。當網格數(shù)量為100萬時,即網格數(shù)量較少的情況下,網格品質的改變對CFD計算的影響較為顯著。當網格品質達到0.20后,網格數(shù)量為200萬和300萬的曲線較靠近,即這兩種方案下的CFD計算精度相近。

    
由于網格生成所需的人力時間占一個計算任務全部人力時間的60%~80%,而要得到高網格品質的網格需要的時間更多,因此需在模擬計算精度與整個CFD工程時間進度上做最優(yōu)化選擇網格品質選為0.20應為最佳選擇。

5 結論
   
1)從試驗結果和計算結果的數(shù)據比較可以看出,CFD計算結果與試驗結果較接近,CFD計算的可靠性還是令人滿意的,可以用于工程計算。
   
2)該發(fā)動機各缸冷卻水流量均勻性較好,但是下缸蓋兩進氣門之間的鼻梁區(qū)水流速度較小,需要改進。
   
3)網格數(shù)量、網格品質對CFD計算精度均有影響,但影響的程度各有所不同;當網格品質小于0.20時,網格數(shù)量對CFD計算精度的影響較為顯著,隨著網格品質的繼續(xù)提高其作用變得不是很明顯;當網格數(shù)量較少的時候,網格品質對CFD計算精度的影響較為顯著,網格數(shù)量的選取還應考慮計算時間的囚素,對于本6缸發(fā)動機采用200萬網格較佳。
   
4)網格品質和網格數(shù)量之間有交互作用,二者的共同作用對CFD計算精度有重要影響。

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