一种基于沸腾换热模型的缸盖温度场的仿真方法及设备

摘要

本申请涉及一种基于沸腾换热模型的缸盖温度场的仿真方法及设备，涉及内燃机冷却系统技术领域。本缸盖温度场的仿真方法包括首先获取表面沸腾因子Csf、拟合经验因子n、标定因子γ，其次确定沸腾换热量qnb与所述表面沸腾因子Csf、拟合经验因子n、标定因子γ的关系式，然后基于对流换热量qsp和所述沸腾换热量qnb得到沸腾换热公式，最后根据所述沸腾换热公式建立单相流过冷沸腾传热CFD模型，基于单相流过冷沸腾传热CFD模型进行缸盖温度场的仿真。本申请提供的缸盖温度场的仿真方法，可准确的预测缸盖温度分布，解决了相关技术中CFD仿真软件由于不能预测鼻梁区、火力面等热负荷区域的冷却效果，而导致温度过高后失效风险，仿真精度较低的问题。

说明书

技术领域

本申请涉及内燃机冷却系统技术领域，特别涉及一种基于沸腾换热模型的缸盖温度场的仿真方法及设备。

背景技术

目前，缸盖是发动机中结构最为复杂的零件之一，其不仅内部结构复杂，而且所处的工作环境十分恶劣，在工作过程中缸盖火力面需要直接与高温燃气接触，因此时刻承受着高温、高压和废气的侵蚀，随燃烧室瞬态变化承受着较高的交变热负荷。

对于水冷式发动机而言，气缸盖水腔内存在有多种不同类型的传热方式，其中，位于燃气火力面与排气道周围的一些高温区域，由于缸盖实体间的温度梯度较大，会形成较高的热流量，该区域换热会以沸腾传热的方式进行；而在缸盖水腔其它大部分区域，由于壁面温度较低，热流量较小，换热则主要以对流换热的方式为主。特别随着现代发动机朝着高爆压高功率密度的方向不断发展，对于高热负荷和高温度水腔区域会不可避免的出现过冷沸腾现象。

沸腾传热的效率与传统单相对流传热的效率相比，呈现数量级的提升，沸腾因素对缸盖温度分布存在重要影响，在发动机冷却系统的开发过程中，如果可以合理地利用泡核沸腾传热的高换热能力，一方面可以有效地减小冷却液的流量与冷却系统的工作容积、减小冷却系统消耗的功率与带走的热量，从而改善整机的燃油经济性；另一方面有利于高温冷却的实现，减少缸盖部件内的温度梯度，从而降低缸盖热应力水平，提高发动机的使用寿命和可靠性。

相关技术中，缸盖的传热分析往往只考虑了气缸盖水套内冷却液与壁面的对流传热系数，导致温度场的结果仿真值较实际值偏高；另外，目前的仿真方法无法判断水套局部是否会发生过渡沸腾传热甚至膜态沸腾传热，即加热壁面处形成气膜，阻碍冷却液与壁面接触换热，导致失效风险，导致缸盖热负荷急剧上升后过热烧损。

发明内容

本申请实施例提供一种基于沸腾换热模型的缸盖温度场的仿真方法及设备，以解决相关技术中CFD仿真软件由于不能预测鼻梁区、火力面等热负荷区域的冷却效果，而导致温度过高后失效风险，仿真精度较低的问题。

第一方面，提供了一种基于沸腾换热模型的缸盖温度场的仿真方法，其步骤包括：

获取表面沸腾因子C

确定沸腾换热量q

基于对流换热量q

根据所述沸腾换热公式建立单相流过冷沸腾传热CFD模型，基于单相流过冷沸腾传热CFD模型进行缸盖温度场的仿真。

一些实施例中，所述获取表面沸腾因子C

搭建沸腾换热试验台架，利用所述沸腾换热试验台架在不同的换热试验参数条件下对试验对象分别进行沸腾换热试验，并在所述沸腾换热试验结束后分别采集相关换热试验数据；

根据所述相关换热试验数据得到所述沸腾换热量q

一些实施例中，所述确定沸腾换热量q

一些实施例中，所述基于对流换热量q

一些实施例中，根据Dittu-Boelter公式计算得到所述对流换热量q

一些实施例中，所述根据所述沸腾换热公式建立单相流过冷沸腾传热CFD模型，基于单相流过冷沸腾传热CFD模型进行缸盖温度场的仿真，包括：

以所述试验对象为建模对象，建立所述单相流过冷沸腾传热CFD模型；

将所述沸腾换热公式以C代码的形式通过USER CODE接口嵌入STARCCM+求解器主程序；

驱动所述STARCCM+求解器进行迭代计算，并直至收敛结束，得到仿真数据。

一些实施例中，所述驱动所述STARCCM+求解器进行迭代计算，包括：

判断壁面温度T

若是，则激活所述单相流过冷沸腾传热CFD模型，利用所述壁面温度T

若否，则不激活所述单相流过冷沸腾传热CFD模型，直接求解流动方程、湍流方程和能量方程后再进行迭代计算。

一些实施例中，将所述仿真数据与对应的采用相同所述换热试验参数得到的实际试验数据进行对比分析，以验证所述沸腾换热公式的精确度。

一些实施例中，所述换热试验参数包括介质种类、介质入口温度、介质入口压力和介质流速，所述换热试验数据包括介质入口温度、介质入口压力和介质流速。

第二方面，还提供了一种设备，所述设备包括沸腾换热试验台架和与所述沸腾换热试验台架相连的计算机、所述计算机包括处理器、存储器、以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的计算机程序，其中所述计算机程序被所述处理器执行时，利用所述沸腾换热试验台架实现上述的基于沸腾换热模型的缸盖温度场的仿真方法的步骤。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种基于沸腾换热模型的缸盖温度场的仿真方法，通过针对对比不同试验对象、介质入口压力、介质入口温度、介质流速、冷却液介质种类等对沸腾换热的影响进行了研究，计算获取了表面沸腾因子C

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的基于沸腾换热模型的缸盖温度场的仿真方法的沸腾换热试验台架的示意图；

图2为本申请实施例提供的基于沸腾换热模型的缸盖温度场的仿真方法的试验对象为铝块且入口介质温度90℃时不同流速的试验值与仿真值的对比图；

图3为本申请实施例提供的基于沸腾换热模型的缸盖温度场的仿真方法的试验对象为铝块且入口介质温度95℃时不同流速的试验值与仿真值的对比图；

图4为本申请实施例提供的基于沸腾换热模型的缸盖温度场的仿真方法的试验对象为铝块且入口介质温度110℃时不同流速的试验值与仿真值的对比图；

图5为本申请实施例提供的基于沸腾换热模型的缸盖温度场的仿真方法的试验对象为铜块且入口介质温度90℃时不同流速的试验值与仿真值的对比图。

图中：1-储液罐，2-水泵，3-电磁流量计，4-预加热器，5-缓冲罐，6-高速相机，7-试验段，8-系统排气阀，9-隔膜压力罐，10-氮气瓶，11-换热器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种基于沸腾换热模型的缸盖温度场的仿真方法，其能解决相关技术中CFD仿真软件由于不能预测鼻梁区、火力面等热负荷区域的冷却效果，而导致温度过高后失效风险，仿真精度较低的问题。

参加图1所示，本仿真方法为首先获取表面沸腾因子C

进一步的，获取表面沸腾因子C

参见图1所示，沸腾换热试验台架作为试验系统是一个闭合的循环系统，冷却介质置于整个试验循环系统中，沸腾换热试验台架具体包括储液罐1、水泵2、电磁流量计3、预加热器4、缓冲罐5、高速相机6、试验段7、系统排气阀8、隔膜压力罐9、氮气瓶10和换热器11等元器件，元器件之间通过管道进行连接。具体的，通过加热管道中的加热棒对冷却介质进行加热，冷却介质经过过滤器进入水泵2，通过水泵2的获得速度的冷却介质经电磁流量计3进入试验段7的通道内，试验段7出来的冷却介质经换热器11回到储液罐1。在试验阶段，利用沸腾换热试验台架在不同的换热试验参数条件下对试验对象分别进行沸腾换热试验，即针对不同的换热试验参数进行调节控制，换热试验参数具体包括介质种类、介质入口温度、介质入口压力和介质流速等参数。

其中，介质流速主要通过变频控制器来控制调节水泵2的转速来获得；介质入口温度则通过管道中的温控系统来调节控制，温控系统主要由加热棒、调压器、智能控制仪以及交流接触器组成；介质入口压力通过压力控制系统来调节控制，压力控制系统主要由隔膜压力罐9、压力传感器、智能控制仪、电磁阀以及交流接触器组成，主要原理为通过与隔膜压力罐9连接的氮气瓶10中的压力来调节控制试验段7的压力。其中，介质种类、介质入口温度、介质入口压力和介质流速等参数均通过数据采集系统进行数据记录。在试验的过程中，分别针对不同材质的试验对象、不同类型的冷却液、不同的流动条件进行多组沸腾换热试验，且在每一组试验结束后，分别采集相关试验数据。这里的冷却液可以为水或防冻剂，不同的流动条件即指的是不同的介质入口温度、介质入口压力和介质流速等参数。

进一步的，确定沸腾换热量q

具体的，沸腾换热量q

其中，c

进一步的，基于对流换热量q

进一步的，根据Dittu-Boelter公式计算得到对流换热量q

具体的，建立壁面换热量与壁面温度的数学关系式，基于沸腾换热渐进模型拟合得到沸腾换热公式为：

q

在上述公式(2)中，m为经验因子，其中m＝2。

具体的，根据Dittu-Boelter公式计算得到对流换热量q

q

在上述公式(3)中，T

计算单相对流换热系数h

在上述公式(4)中，R

计算通道雷诺数R

在上述公式(5)和(6)中，p

进一步的，根据沸腾换热公式建立单相流过冷沸腾传热CFD模型，基于单相流过冷沸腾传热CFD模型进行缸盖温度场的仿真包括首先以试验对象为建模对象，建立单相流过冷沸腾传热CFD模型，然后将沸腾换热公式以C代码的形式通过USER CODE接口嵌入STARCCM+求解器主程序，最后驱动STARCCM+求解器进行迭代计算，并直至收敛结束，得到仿真数据。

进一步的，驱动STARCCM+求解器进行迭代计算包括首先判断壁面温度T

具体的，通过纯单相对流传热计算过程获得最后稳态的收敛结果，再根据壁面温度T

进一步的，得到仿真结果后，对仿真结果进行分析，主要将其与对应的采用相同换热试验参数得到的实际试验数据进行对比分析，以验证沸腾换热公式的精确度，即对比不同材质试验对象、介质入口压力、介质入口温度、介质流速、冷却液介质等不同条件下的通过沸腾换热试验台架得出的实际试验数据与仿真结果。

参见图2可知，其为实验对象为铝块、介质入口压力为1.3bar、入口温度为90℃时的不同流速的实验值与仿真值对比情况示意，参见图3可知，其为实验对象为铝块、介质入口压力为2bar、入口温度为95℃时的不同流速的实验值与仿真值对比情况示意，参见图4可知，其为实验对象为铝块、介质入口压力为3bar、入口温度为110℃时的不同流速的实验值与仿真值对比情况示意，参见图5可知，其为实验对象为铜块、介质入口压力为2bar、入口温度为90℃时的不同流速的实验值与仿真值对比情况示意。从4幅图可以看出，无论是铝加热块还是铜加热块，仿真结果均与试验结果偏差均很小。在低壁面温度区域，沸腾换热模型预测的壁面换热系数均呈现增强的趋势，与实验测量结果保持一致，随着壁面温度的进一步增加通道壁面附近的换热系数逐步增加，沸腾换热特性曲线与对流直线分离出现上翘曲线，这一趋势也被沸腾换热模型很好地描述到，可以很好的说明该模型在常压系统中能够较为准确地计算出壁面换热量。

本仿真方法通过针对对比不同试验对象、介质入口压力、介质入口温度、介质流速、冷却液介质种类等对沸腾换热的影响进行了研究，计算获取了表面沸腾因子C

本申请还提供了一种设备，设备包括沸腾换热试验台架和与沸腾换热试验台架相连的计算机、计算机包括处理器、存储器、以及存储在存储器上并可被处理器执行的计算机程序，其中计算机程序被处理器执行时，利用沸腾换热试验台架实现上述的基于沸腾换热模型的缸盖温度场的仿真方法的步骤，具体步骤如下：

获取表面沸腾因子C

确定沸腾换热量q

基于对流换热量q

根据沸腾换热公式建立单相流过冷沸腾传热CFD模型，基于单相流过冷沸腾传热CFD模型进行缸盖温度场的仿真。

进一步的，获取表面沸腾因子C

搭建沸腾换热试验台架，利用沸腾换热试验台架在不同的换热试验参数条件下对试验对象分别进行沸腾换热试验，并在沸腾换热试验结束后分别采集相关换热试验数据；

根据相关换热试验数据得到沸腾换热量q

进一步的，确定沸腾换热量q

进一步的，基于对流换热量q

进一步的，根据Dittu-Boelter公式计算得到对流换热量q

进一步的，根据沸腾换热公式建立单相流过冷沸腾传热CFD模型，基于单相流过冷沸腾传热CFD模型进行缸盖温度场的仿真，包括：

以试验对象为建模对象，建立单相流过冷沸腾传热CFD模型；

将沸腾换热公式以C代码的形式通过USER CODE接口嵌入STARCCM+求解器主程序；

驱动STARCCM+求解器进行迭代计算，并直至收敛结束，得到仿真数据。

进一步的，驱动STARCCM+求解器进行迭代计算，包括：

判断壁面温度T

若是，则激活单相流过冷沸腾传热CFD模型，利用壁面温度T

若否，则不激活单相流过冷沸腾传热CFD模型，直接求解流动方程、湍流方程和能量方程后再进行迭代计算。

进一步的，将仿真数据与对应的采用相同换热试验参数得到的实际试验数据进行对比分析，以验证沸腾换热公式的精确度。

进一步的，换热试验参数包括介质种类、介质入口温度、介质入口压力和介质流速，换热试验数据包括介质入口温度、介质入口压力和介质流速。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。