柴油机冷却液流动及流固耦合传热的仿真研究

摘要

随着社会的发展和我国工业的进步，高增压、高压缩比成为目前发动机的一个重要的发展方向。发动机的强度越来越高，热负荷也逐渐增大。因此在实际的工程应用中，对发动机进行有效冷却至关重要。
　　目前，流固耦合传热模拟成为工程人员研究发动机冷却系统传热的主要方法。本文采用直接耦合的方法，在求解温度场时，固液交界面无需加载温度边界条件，温度求解区域是整个固体和流体的计算域，在交界面处只存在热流连续和温度连续的约束条件，从而将固体和流体分别计算时两者之间的边界转化为固流耦合系统的内部边界。采用流固耦合的方法计算出的结果更加符合发动机的实际工作状态。
　　由于本文研究的是一个16缸的中速柴油机，模型较复杂，对整机进行流固耦合计算需要很高的计算机性能。由于各缸冷却水套为并列排布方式，各缸结构一致且相对独立，各缸传热方式相同，因此本文只对冷却效果最差的缸进行耦合传热计算。
　　本文首先建立了三维的16缸整体冷却水模型和单缸的缸盖—缸套—冷却水耦合传热模型。采用Fluent软件对该16缸的整体水套进行了CFD计算分析，壁面边界设为绝热，获得了整体冷却水流速、流量、压力等流场数据。并且依据上述信息对整机冷却水的冷却效果进行了初步评判，确定冷却效果最差的缸。然后采用上述整体冷却水模拟计算的数据为该缸冷却水加载进出口边界，进行耦合传热仿真计算。通过计算获得了各部件比较精确直观的温度场分布。计算结果表明，仿真结果与实测数据吻合较好，从而为该型柴油机冷却水套的优化设计提供了依据。本文的研究为大型柴油机冷却水流动和传热模拟提供了一个高效精确的方法，具有一定的工程实用价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 柴油机冷却水套仿真研究的背景和意义

1．1．2 柴油机稳态固流耦合传热算法研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 冷却水CFD计算模拟研究现状

1．2．2 流—固耦合传热问题的数值模拟研究现状

1．3 本文的主要研究内容和主要工作

2 冷却水流动与热流耦合计算模型及软件简介

2．1 系统建模与概述

2．1．1 内燃机受热零部件流固耦合系统的基本构成和传热关系

2．1．2 系统建模的简化

2．1．3 物理模型

2．2 数学模型

2．2．1 流体域流动与传热的控制方程

2．2．2 固体域的传热控制方程

2．3 三维湍流的数学模型

2．3．1 湍流现象

2．3．2 湍流流动的计算方法

2．3．3 湍流模型

2．4 壁面函数

2．5 固流耦合计算的基本原理

2．6 本文研究中采用的软件介绍

2．7 本章小结

3 柴油机整体水套流动的CFD分析

3．1 三维模型

3．2 划分网格

3．3 计算过程的相关设定

3．3．1 冷却液的种类及物性

3．3．2 边界条件的相关设定

3．3．3 物理模型的选择及求解器的设置

3．4 计算结果及分析

3．4．1 速度场分布

3．4．2 压力场分布

3．4．3 有效性验证

3．5 本章小结

4 柴油机冷却水套流固耦合换热计算分析

4．1 问题的提出

4．2 三维模型及网格划分

4．3 固体流体材料的种类及物性

4．4 流体域边界条件的确定

4．5 固体域边界条件的确定

4．5．1 燃气-缸盖、燃气-缸套之间的对流换热边界

4．5．2 进排气道的热边界条件

4．5．3 外围热边界条件

4．5．4 固-流耦合边界传热

4．6 单缸模拟与整体水套计算一致性检验

4．7 流-固耦合计算结果分析

4．7．1 缸盖温度场分布

4．7．2 缸套温度场

4．7．3 冷却水温度场

4．8 有效性验证

4．9 本章小结

5 总结和展望

5．1 工作总结和创新点

5．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢