基于整场离散的气缸盖热流固多物理场耦合状态数值模拟

张艳岗， 毛虎平， 苏铁熊， 王军， 尹国华

(1.中北大学 机械与动力工程学院，山西，太原 030051；2.北方通用动力集团有限公司，山西，大同 037036)



基于整场离散的气缸盖热流固多物理场耦合状态数值模拟

张艳岗1， 毛虎平1， 苏铁熊1， 王军1， 尹国华2

(1.中北大学 机械与动力工程学院，山西，太原 030051；2.北方通用动力集团有限公司，山西，大同 037036)

针对柴油机气缸盖工作状态数值模拟的复杂性及高耗时性，提出一种基于整场离散的高温燃气(热)、冷却液(流)、机械负荷(固)之间多物理场耦合分析方法. 首先分析了热-流-固耦合的基本原理及关键问题，构建了气缸盖流固耦合传热的物理模型及有限元模型，采用整场离散法对气缸盖流固传热状态进行了耦合求解，得到了气缸盖的温度场，并在此基础上进一步与机械负荷产生的应力场进行耦合求解，得到多场共同作用下气缸盖的温度场及应力场，并分析了产生原因，实现了柴油机气缸盖热-流-固多物理场的耦合状态分析. 结果表明：文中研究通过对流固耦合传热区域建立控制方程，使得传热交界面成了求解区域的内部，简化了热-流-固边界区域之间的反复迭代，相比于传统的分区计算-边界耦合法，提高了计算效率.

柴油机；气缸盖；整场离散；热流固耦合；数值分析

气缸盖作为构成柴油机燃烧室的关键零部件，其结构形式复杂，工作中承受着气体爆发压力、螺栓预紧力等机械负荷和气体燃烧产生的热负荷耦合作用，是影响柴油机工作可靠性的重要因素之一. 因此，研究气缸盖的工作状态具有十分重要的意义. 综合目前研究成果，对气缸盖工作状态的分析主要采用试验法和数值模拟方法. 相比较于试验法，数值模拟方法不仅可以缩短研制周期、降低研究费用，还可以得到一些试验难以获得的数据[1-2]. 但由于气缸盖本身结构形状的复杂性，以及涉及到流场、温度场、应力场等多个物理场的共同作用[3]等原因，耦合状态下气缸盖的数值分析一直都是业内研究的重点和难点.

气缸盖的耦合状态主要表现为：燃气与气缸盖之间、气缸盖与冷却液之间的热传递，气缸盖在承受螺栓预紧力、气体压力产生的应力场同时，也承受着热应力场的作用，进而形成了高温燃气(热)、冷却液(流)、机械负荷(固)之间热-流-固耦合状态.

传统的气缸盖工作状态数值模拟研究主要集中在两个方面：一是先单独分析其冷却液流场和温度场，将计算结果作为应力场分析的边界条件进行计算，这种方法十分繁杂，计算耗时，且一定程度上影响了计算结果的准确性；二是重点进行流固之间的耦合传热计算[4]，没有在流固传热分析基础上进一步研究气缸盖在热应力场和机械负荷应力场耦合作用下的应力、变形状态，对于气缸盖耦合状态难以准确把握.

本文针对上述问题展开研究，对流场、温度场和应力场共同作用下的气缸盖进行热-流-固耦合分析计算，实现了气缸盖多物理场耦合状态较为准确的数值模拟.

1 热流固耦合分析及基本原理

气缸盖耦合状态数值模拟较为复杂，首先通过强耦合分析冷却液(流体域)与气缸盖(固体域)之间的传热关系，将流体域、固体域传热耦合作用构造在同一控制方程中，在同一时间步内同时求解所有变量，得到气缸盖的温度场；然后将热流分析单元转换成可进行热应力及机械应力计算的结构分析单元，将得到的温度场与燃气压力及螺栓预紧力等机械负荷产生的应力场进一步耦合求解，实现在一个计算模型中同时分析气缸盖流场、温度场、应力场的耦合作用. 进而分析气缸盖在多场耦合状态下的应力分布，实现气缸盖热-流-固耦合分析.

热-流-固耦合分析的关键是实现流体域与固体域交界壁面处的热量传递[5]. 基于能量守恒理论，流-固耦合交界面上的热量恒定，采用方程(1)描述该守恒.

(1)

式中：Kcon为固体导热系数；hconv为对流换热系数；Ti，Tw分别为流体温度和壁面温度；qconv为常量.

同时冷却液流动应满足动量守恒及流动方程(2)，本文数值计算中湍流区采用标准k-ε方程湍流模型而对于近壁区域的流场中流动与传热计算采用壁面函数法.

(2)

式中：cp为比热容；ρ为密度；T为温度；k为流体的传热系数；Gk为由层流速度梯度而产生的湍流动能；σk为k方程湍流Prandtl数；λ为导热系数；μ为动力黏度；c1，c2为常数.

2 流固耦合传热分析

利用整体流固耦合的方法可以将流-固接触交界面上难以精确确定的边界条件转化为整体的内部边界条件，利用接触面间的耦合分析实现固体和流体之间的传热分析，并通过数值模拟获得所需的温度场和流场分布状态[6].

文中采用整场离散、整场求解法[7]，将不同区域的流动、换热过程组合起来，作为一个统一的换热过程来求解. 将气缸盖与冷却液作为一个耦合系统[8-9]，施加成熟的流体流动边界条件和固体传热边界条件，较准确地构建了流固耦合传热模型.

2.1 流固耦合传热物理建模的建立

由于气缸盖上的冷却水腔结构复杂，使得缸体壁面受热不均，导致气缸盖内流动传热的特性非常复杂，难以运用试验的方法进行分析，只有利用数值模拟方法研究其耦合状态才能获得较为准确的流动与传热特性. 建立的物理模型为：

① 由于文中研究对象处于稳定运转工况，认为冷却液与气缸盖壁面的对流换热过程是稳定的，所以气缸盖内部的冷却液流动认为是稳定的.

② 流动形态. 研究中冷却水道的入口直径是0.22 cm，冷却液的入口速度设置为1 500 L/min，由于冷却液流动的雷诺数超过了临界雷诺数，故确定冷却液的流动为湍流流动.

③ 黏性. 由于在冷却液湍流的核心区和层流底层之间过渡区内的黏性力与惯性力基本相当，而在层流底层区域黏性力起主体作用，因此，文中研究的冷却液属于黏性流体.

综上所述，文中研究对象为气缸盖内冷却液的流动状态为稳定、无内热源、黏性流体的湍流流动状态.

2.2 流-固耦合传热实体模型的建立

针对目前柴油机气缸盖工作状态数值模拟的复杂性及高耗时性，为了给气缸盖的进一步设计优化及疲劳分析分析提供研究基础，文中研究以某12缸V型水冷柴油机气缸盖为研究对象. 在课题组前期对气缸盖大量数值模拟研究及多次试算的基础上，为保证计算精度的同时降低计算规模，气缸盖计算模型(图1)采用一个整缸和两个半缸的组合模型进行[10]，同时建立冷却水道三维实体模型(图2)，并进行组合，然后整场离散.

2.3 流-固耦合系统实体模型离散

将一个整缸及周围两个半缸组成的气缸盖与整场水腔的组合模型作为研究的模拟计算域，其中冷却水腔和气缸盖在离散时没有关联，单独进行离散，而在进行耦合模拟时需要将冷却水腔和气缸盖之间重叠的部分粘合设置为一个面，从而使两个独立实体共用一个边界面. 进而保证在边界面上的流-固完全耦合. 为了较为精确地模拟壁面处的热交换过程，需要对流固耦合边界面的网格进行局部细化，对重点考察区[11-12](气缸盖火力面、冷却水腔的“鼻梁”区)需进行网格细化，以提高数值计算的精度. 计算区域网格模型如图3所示，网格总数约为172万.

2.4 流-固耦合边界确定

将气缸盖(固体)与流经其内部的冷却液(流体)作为一个整体进行模拟分析，从而将很难确定的外部边界改为了内部边界，在固-液交界面上基于能量守恒原理完成热量的自动交换.

2.4.1 传热边界

固体边界换热一般有3类边界条件[13]，文中研究通过第3类边界条件来确定其热边界条件. 在气缸盖流-固耦合模型中，固体传热边界主要是指气缸盖上的火力面、进排气道以及外表面等区域，文中研究忽略辐射换热，认为上述固体区域与其周围气体介质间均为对流换热. 具体传热边界条件见表1.

表1 固体域各区域换热边界条件

Tab.1 Heat transfer boundary condition of various solid domain

固体换热区域初始温度/K换热系数/[W·(m-2·K-1)]火力面11001000进气道350400排气门导管690600外表面29523

① 气缸盖火力面与燃气接触边界.

缸盖换热问题的实质是计算受热零件与工质之间的换热系数. 对于气缸盖稳态温度场的计算，主要通过缸内工作过程分析软件计算得到一个工作循环下的燃气平均温度和平均换热系数.

② 气缸盖外表面与空气换热边界.

气缸盖外表面与空气之间对流换热，常用第三类边界条件(确定外部温度和换热系数)来确定边界. 对于静止空气，常用换热系数为0～23 W/(m2·K)；对于流动空气，常用换热系数为11～290 W/(m2·K).

③ 气缸盖进、排气道的内壁与气体换热边界

当进、排气道中有气体经过时，气道内壁区域与气体的换热系数通过经验公式计算得到.

2.4.2 流动边界条件

① 入口边界.

由于文中研究的冷却液为不可压缩的黏性流体，采用速度/质量流量作为入口边界，由试验数据确定入口位置冷却液的温度为343 K，质量流量为24.14 kg/s.

② 出口边界.

文中研究考虑到出现回流情况时，采用压力出口边界比质量出口边界拥有更好的收敛速度. 因此，采用压力出口边界作为流动出口边界. 参考同机型设计参数，定义出口压力边界条件为0.2 MPa.

③ 壁面边界条件.

本文研究对象为下端进水上端出水，因此，采用无滑移壁面边界条件，在施加边界条件时应考虑重力的影响，将重力加速度设为9.8 m/s2[14].

2.5 数值计算结果分析

图4为流固耦合传热计算得到的气缸盖温度场，由图可知，气缸盖上沿气缸中心线方向温度分布很不均匀，梯度较大，最高温度达562.8 K，而最低温度为343.6 K，因此气缸盖承受了非常高的热负荷. 气缸盖上的排气道区域由于直接受到高温排气的作用，所以排气道出口相交区域的温度最高. 另外，气缸盖冷却水道底面的温度也偏高，这是由于该区域直接与气缸盖底部的火力面相接触的原因，火力面由于与高温燃气相接触而被加热，产生高温.

3 热-流-固耦合状态数值模拟

在气缸盖冷却液(流体域)与气缸盖(固体域)传热分析的基础上，进一步将得到的气缸盖的温度场与燃气压力及螺栓预紧力产生的应力场耦合求解，实现气缸盖热流固耦合状态的数值模拟.

3.1 有限元模型建立3.1.1 网格模型

为提高计算精度，建立了气缸盖、气门座圈、缸套、缸垫的装配模型作为计算模型，并进行结构离散，对应力集中区域、接触等细节区域进行了网格细化，如图5所示.

3.1.2 位移边界条件

按照气缸盖-气缸垫、气缸盖-紧固螺栓和气缸盖-气门座圈之间的装配关系，设置了相应的接触对来模拟接触关系. 其中，气缸盖-气门座圈侧部的接触施加了0.03 mm的过盈量. 在缸套的底部，螺栓的底部施加全约束.

3.1.3 载荷边界条件

主要分析螺栓预紧力-气体爆发压力-热负荷共同作用下的气缸盖温度场及应力场状态.

① 机械载荷：气缸盖粗螺栓预紧力为14.541 kN，缝合螺栓预紧力为39.320 kN；取某一运转工况下最高爆发压力值13.4 MPa，按均布面力施加到气缸盖火力面上；气门座圈上的爆发压力通过传递换算到气门座圈的承力斜面上(进气门座圈220.6 MPa，排气门座圈为216.6 MPa).

② 热负荷：将文中第2.5节计算得到的气缸盖温度场上的节点温度作为体载荷加载到模型各节点上.

3.2 气缸盖温度场分析

图6为热-流-固耦合状态下的气缸盖温度场云图. 由图可知，气缸盖上每缸区域温度场分布趋势一致，每个缸上的温度分布都很不均匀，温度梯度较大，其中，火力面和排气道表面是主要高温区，由火力面、排气道向其他区域温度逐渐降低. 排气道的出口处温度达到564.9 K， 而“鼻梁区”的最高温度达到558.6 K，同时排气道侧的温度远高于进气道侧温度，这主要是由于排气道侧区域受到高温废气的加热，而进气道区域则一直受到低温进气的冷却，导致其温度偏低.

3.3 气缸盖应力场分析

图7为热-流-固耦合状态下的气缸盖的应力云图.

由图可知，气缸盖上的高应力区主要集中在粗螺栓安装沉孔外侧、排气门之间的“鼻梁区”以及进、排气门之间的“鼻梁区”靠近排气道一侧，最高应力达到132.521 MPa，这是由于排气道侧温度较高，受到的热负荷较高的缘故.

4 结 论

采用有限元分析方法，通过对冷却液(流体域)与气缸盖(固体域)之间传热的强耦合分析，计算得到了气缸盖的温度场；然后通过单元转换，将温度场结果作为体载荷加载到气缸盖上进行应力分布的考察，实现了气缸盖热-流-固耦合分析. 主要结论如下：

① 该气缸盖的高应力区域主要集中在粗螺栓安装沉孔外侧区域、排气门之间的“鼻梁区”以及进、排气门之间的“鼻梁区”靠近排气道一侧，最高应力达到132.521 MPa；而气缸盖材料屈服极限为220 MPa，故安全系数为1.66，该气缸盖结构满足强度要求. 文中研究可为气缸盖的疲劳分析提供基础数据支撑.

② 文中采用的整体求解法对流固耦合传热区域建立控制方程，使得传热交界面成了求解区域的内部，简化了热-流-固边界区域之间的反复迭代过程，对比于传统的分区计算-边界耦合法，计算时间缩短，计算效率有所提高.

③ 多场耦合分析的关键在于耦合系统交界面的边界条件计算及网格处理，文中将流固耦合传热分析得到的气缸盖温度场以节点载荷的方法与机械负荷共同施加到缸盖上，将气缸盖上流场、温度场、应力场的耦合分析在单一计算模型中得以实现，进而得到了气缸盖在多场耦合状态下的应力分布. 文中成果可进一步推广应用到其他零部件流固耦合分析计算中.

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(责任编辑：刘雨)

Numerical Simulation Based Overall Discrete Method for Thermo-Fluid-Solid Coupling of Cylinder Head

ZHANG Yan-gang1， MAO Hu-ping1， SU Tie-xiong1， WANG Jun1， YIN Guo-hua2

(1.Mechanical and Electronic Engineering Institute， North University of China， Taiyuan，Shanxi 030051， China； 2.The North General Power Group Co.Ltd， Datong， Shanxi 037036， China)

As for the complex and high consuming in numerical simulations on working condition of cylinder head in diesel engine, a new numerical analysis method was proposed adopting thermo (high temperature gas), fluid (coolant liquid) and solid (mechanical load) multi-physics field coupling method based overall discrete. Analyzing the fundamental and key issues of thermo-fluid-solid coupling, the physical models and finite element model were presented for fluid-solid coupling and heat transferring to get the temperature field distributions of diesel engine cylinder head based overall discrete method. On this basis, the stress field produced from mechanical load was coupled solved, getting the spread of the temperature and stress field on cylinder head under multi-field effects. Based the possible causes analysis, some numerical simulations about thermo-fluid-solid multi-physics field coupling state were given. The results show that, the established governing equation in integral solution method can make the heat transfer boundary be in the solve region and omit iterative between thermo-fluid-solid regions. And the simulation efficiency is improved compared with tradition computing and boundary coupling method.

diesel engine；cylinder head； overall discreteness； thermo-fluid-solid coupling； numerical analysis

2015-01-28

国家自然科学基金资助项目(51275489)

张艳岗(1981—)，男，博士，讲师，E-mail：zyg31124@163.com.

TK 413

A

1001-0645(2016)06-0563-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.06.003