柴油机冷却液流动及流固耦合传热分析

摘要

车用柴油机冷却液的流动与传热问题一直倍受人们的关注，这是由于冷却液的流动与传热不仅直接影响到柴油机的冷却效率、高温零部件的热负荷、热量分配和能量利用，而且对于高强化的多缸柴油机来说，还影响到各缸冷却的均匀性、充气效率、油气混合、燃烧、火焰传播、传热、污染物生成等。在对柴油机冷却液流动与传热问题的研究中，由于结构十分复杂，用试验仪器进行测量往往不能得到有关的详细信息。与试验相比较，采用三维数值模拟方法解决流动与传热问题可以大大降低研究费用，节省资源，缩短开发周期，还可以获得一些试验不能测量或难以测量的结果。在对柴油机冷却液流动与传热的数值模拟研究中，传统方法是将缸内流体和固体部分分别进行传热计算，这种方法需要不断调整传热计算中假设的流体的边界条件，这个过程比较繁琐，考虑到固液边界上传热条件的不均匀性，计算与实际情况存在一定的差距。另外，在柴油机冷却液的传热计算中，较少考虑沸腾换热对其温度分布的影响。
　　本文针对上述问题，对柴油机机体水套和缸盖水腔冷却液的流动进行了三维数值模拟研究，得到了速度场、压力场；对缸盖部分冷却液流场与缸盖进行流固耦合传热计算，得到了流体区域和固体区域的温度场。本文还探索了沸腾换热影响下的缸盖水腔流固耦合及其流体区域的温度场。
　　为了对柴油机冷却问题中涉及的流动与传热问题进行深入研究，本文主要利用大型通用流体动力学软件STAR-CCM+对冷却液的流动与流固耦合传热问题进行数值模拟研究。缸体水套和缸盖水腔几何模型的计算网格主体上采用六面体网格，对于壁面采用边界层网格处理，这样的网格既能很好地适应冷却系统复杂的几何表面，又进一步保证了网格质量。本文采用不可压缩粘性流体的湍流流动，用有限体积法求解流体运动控制方程、标准湍流模型和标准壁面方程。
　　本文的主要研究内容有：
　　1）针对某六缸柴油机机体水套和缸盖水腔内的流动，通过分析对比选择合适的物理模型和数学模型，结合已知流体域的相关参数，施加合理准确的边界条件，得到了流体在机体、缸盖以及两者连接部分的速度场，并通过进口处面积平均压力的监测，得到了进出口处的压力损失。
　　2）对无沸腾（非等温定常流动）时单缸柴油机缸盖水腔流固耦合传热进行分析，分别对流体域和固体域选择合适的物理模型，根据以往的文献参考值确定合理的边界条件，得到了流体域和固体域的温度分布。
　　3）本文还探索了沸腾换热（非等温瞬态流动），加入了沸腾模型，重新对流体域物理模型及边界条件进行设置，得到流体域的温度分布图、VOF（Volume of Fluid）等值面压力分布图以及流体固体换热系数云图。

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1 绪论

1.1 发动机冷却液流动传热问题的研究现状

1.2 发动机冷却液沸腾传热问题的研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2 计算流体力学基础理论及其软件简介

2.1 计算流体力学简介

2.2 计算流体力学基础理论

2.3 数值计算求解

2.4 计算流体力学软件简介

2.5 小结

3 柴油机冷却水套流动的CFD分析

3.1 三维模型及网格划分

3.2 计算过程的相关设定

3.3 计算结果及分析

3.4 小结

4 柴油机冷却水套流固耦合换热CFD分析

4.1 问题的提出

4.2 三维模型及网格划分

4.3 计算过程的相关设定

4.4 温度场计算结果及分析

4.5 小结

5 冷却液沸腾传热模拟探索研究

5.1 问题的提出

5.2 模型网格选择及计算过程的相关设定

5.3 计算结果及分析

5.4 小结

6 总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢