基于CAE技術的氣缸蓋流固耦合溫度場預測研究

杜憲峰， 李志勇， 梁興雨， 王俊文

(1. 遼寧工業大學省汽車振動與噪聲工程技術研究中心， 遼寧 錦州 121001；2. 天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室， 天津 300072； 3. 東風朝陽朝柴動力有限公司， 遼寧 朝陽 122000)

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基于CAE技術的氣缸蓋流固耦合溫度場預測研究

杜憲峰1,2,3， 李志勇3， 梁興雨2， 王俊文1

(1. 遼寧工業大學省汽車振動與噪聲工程技術研究中心， 遼寧 錦州 121001；2. 天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室， 天津 300072； 3. 東風朝陽朝柴動力有限公司， 遼寧 朝陽 122000)

采用合理有效的CAE技術實現了氣缸蓋溫度場的準確預測，采用多軟件、多場耦合技術，并結合多次迭代分析方法確保溫度場預測準確可靠。研究結果表明，基于性能仿真計算(AVL-Boost軟件)與水循環試驗分析可獲得氣缸蓋流場仿真邊界條件，基于流場仿真分析(AVL-Fire軟件)可獲得氣缸蓋溫度場仿真邊界條件，基于流固耦合分析(Abaqus軟件)可獲得氣缸蓋溫度場，多次迭代計算獲得的溫度場經試驗分析驗證了預測流程的合理性，為物理樣機溫度場的影響因素與改善措施分析奠定了基礎。

流固耦合； 仿真； 預測； 溫度場； 氣缸蓋

氣缸蓋是內燃機結構中較為復雜的部件，用于密封氣缸的頂部，與活塞頂面及氣缸內壁共同組成內燃機的燃燒空間，是柴油機中工作條件最為惡劣的零部件之一，所承受的熱應力較大，易發生裂紋，其強度可靠性問題就成為柴油機設計中的關鍵，而溫度大小及分布又是影響氣缸蓋結構可靠性的重要因素[1-2]。

我的個人生活從2015年秋天開始轉變，此前，我以為自己乃至身邊人的一生，如一列裝載著親情、瑣碎、痛楚、矛盾、幸福、合作、悲傷、愉悅的高速列車。在時間的軸線上，無數顏色和內涵基本雷同的列車，大同小異，方向一致地奔行，再不會變軌和改道。然而，我錯了。先是近26年的工作徹底變動。這對已經中年的我，并不算什么。對既往容身的集體，我心懷感激。即使離開，特別是響應一種合乎發展之道的指令，我覺得個人應當予以配合，一點都不驚慌失措。因為，基本的生存已經不是問題，況且，我從沒有奢望過多么豪華的物質生活，也沒有渴望過一呼萬應的權力。

目前，研究學者主要采用虛擬仿真技術分析氣缸蓋溫度場問題，并取得了較好的研究成果[3-5]。然而，由于溫度場計算受到多種邊界條件的影響，這就造成了溫度場計算過程中存在較多的不確定因素及計算誤差，使得氣缸蓋溫度場計算工作具有太多的盲目性。因此，本研究綜合考慮了計算過程多軟件、多場耦合分析方法的相互協調，通過性能仿真計算、冷卻水試驗測量、缸內及水套流場仿真計算、氣缸蓋流固耦合分析，并通過多次迭代計算實現氣缸蓋溫度場的合理預測，試驗測試結果也驗證了溫度場預測方法及流程的有效性。

本設計選用電容參數為150 μF，ESR為12 mΩ，將兩個相同電容并聯接入電路，以進一步降低ESR。

1 柴油機性能仿真計算

以某4缸柴油機為樣機，其標定轉速為2 600 r/min，標定功率為125 kW。采用AVL-Boost軟件建立標定工況條件下發動機性能仿真分析模型(見圖1)。同時，依據發動機試驗測試對所建立的分析模型進行修正，確保了性能仿真計算結果的準確性。發動機性能虛擬預測與試驗測試的對比分析結果見圖2。由性能仿真計算獲得了柴油機進氣、排氣和進排氣燃燒的邊界條件，為柴油機缸內流動仿真分析計算提供了邊界條件。

2 缸內及水套流場仿真計算

柴油機缸內工作過程指從進氣至排氣結束，包括噴霧、燃燒、物質傳輸和排放物生成等一系列瞬變和多場耦合過程，是各種熱機和燃燒裝置中最為復雜的過程[6]。本研究采用AVL-Fire軟件對發動機整個缸內工過程進行仿真計算，并采用多區域計算方法確保進、排氣道溫度的準確性。不同曲軸轉角下缸內流動仿真分析模型見圖3。

采用SPSS 18.0統計學軟件對數據進行處理，計數資料以例數（n）、百分數（%）表示，采用x2檢驗；計量資料以“ ±s”表示，采用t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

采用Hypermesh軟件建立氣缸蓋有限元分析模型，缸蓋材料為HT250，密度7.8×103kg/m3，彈性模量為115 GPa，泊松比為0.26，線性膨脹系數為11×10-6K-1，熱導率為46 W/(m·K)。提取缸蓋溫度場計算所需映射的殼網格，導入到AVL-Fire軟件中進行映射，得到缸蓋溫度場計算所需的相應溫度值和傳熱系數。水套及缸內熱邊界條件見圖6。

由圖7計算結果可知，初始結果中缸蓋最高溫度為324.6 ℃，經過多次迭代計算后缸蓋最高溫度降至313.4 ℃，該仿真計算共進行了4次迭代，迭代2次后缸蓋溫度基本不再發生變化，缸蓋最高溫度與迭代次數的關系見表1。最高溫度出現在四缸排氣門附近，且排氣門附近有明顯的溫度梯度，這是由于第4缸處于缸蓋水套的末端，流速有所降低，受缸內燃燒工質、高溫排氣以及水套流場均勻性的影響。

柴油機水套由缸體和缸蓋較復雜的內部水腔組成，對其結構進行了分組劃分，對缸蓋水孔處等重點部位進行了細化，網格規模約2.2×106個。水套流場仿真分析模型見圖5。

采用Abaqus軟件對缸蓋溫度場進行流固耦合計算，獲得缸內壁面和水套壁面溫度結果，并將計算結果應用到缸內流動仿真和水套流場仿真分析計算中；將計算獲得的相應壁面溫度及傳熱系數再一次應用到缸蓋溫度場流固耦合計算中，如此反復迭代直至缸蓋溫度場不再發生變化。氣缸蓋溫度場計算分析結果見圖7。

為使缸內流動仿真計算過程盡快達到收斂并提高計算精度，需要設定合理的初始條件，起始時的溫度、壓力、殘余廢氣系數等參數可由性能仿真計算分析獲得。同時，其邊界條件可通過性能仿真計算獲得，即進氣道入口與排氣道出口可給定瞬時流量和溫度，進排氣道、進排氣門、氣缸、活塞、燃燒室可設定為固定壁面，壁面絕熱無滑移。

3 氣缸蓋溫度場仿真計算

對于計算過程而言，氣道和缸內的氣體可認為是可壓縮黏性湍流流動，計算方法采用Simple算法，湍流模型為k-ξ-f模型；動量方程選用MINMOD Relaxed，揉合因子為0.9，連續方程選擇Central Differencing，揉合因子為1。對于燃燒噴霧設置而言，燃油蒸發模型為Dukowicz模型，破碎模型為Wave模型，燃燒模型為Eddy Break-up Model模型；點火模型為Diesel_MIL模型。柴油機采用8孔噴油器，孔徑0.128 mm，噴霧錐角及噴霧夾角均為不對稱結構。

仿真模型邊界條件的具體參數如下：進口處水泵流量305 kg/min，溫度90 ℃；EGR冷卻器進口流量56 kg/min，暖風進口流量56 kg/min，空氣壓縮機進口流量8.8 kg/min；出口壓力梯度為0；缸蓋水套壁面溫度120 ℃，缸體水套壁面溫度100 ℃，機油冷卻器水套壁面溫度110 ℃，節溫器水套壁面溫度110 ℃；流體為50%水和50%添加劑(GLYCOL) 構成的混合物。

2.3 生物多樣性降低及生態系統受損 三峽水庫運行以來，庫岸原有陸生植被難以適應水位消漲的惡劣環境，逐漸消亡或變異，生物多樣性降低，同時生態系統類型減少，結構脆弱、功能退化。

在水循環系統試驗分析基礎上，進出口的流量、壓力與溫度數據可為水套流場仿真計算提供邊界條件。為了確保缸蓋溫度場預測分析具有準確的缸內邊界條件，需確保缸內流動仿真計算獲得的缸內溫度、壓力、放熱率曲線與性能仿真計算結果保持一致，并計算每1°曲軸轉角條件下的壁面溫度和傳熱系數。性能仿真和缸內流動仿真對比結果見圖4。

本研究利用所建立的指標體系和評價方法，從東營市5個系統，定量分析了東營市2007—2016年綠色經濟發展的綜合水平。2007—2016年東營市綠色經濟發展綜合得分見表2和圖2。

表1 缸蓋最高溫度與迭代次數的關系

硬度塞測溫法是利用經過淬火的某些金屬材料在受熱后會產生永久性硬度變化來測量溫度。試驗測量時四缸選取12個測點，并要求硬度塞頂面與被測平面相平齊。試驗測試與仿真分析均為柴油機標定工況，氣缸蓋溫度場測點布置見圖8。

試驗測試完成后采用維氏硬度儀測量硬度，并與HV-T標準曲線進行對比分析獲得相應的溫度值。第4缸氣缸蓋溫度場試驗測量與仿真計算對比分析結果見表2。由表2可知，12個測點溫度值誤差均在10%以內，符合工程誤差要求，最高溫度點(測點6)的偏差僅為0.2%。

表2 第4缸試驗測量與仿真計算對比分析結果

4 結論

a) 綜合考慮了計算過程多軟件、多場耦合方法的相互協調，通過性能仿真計算、缸內及水套流場仿真計算、缸蓋流固耦合等分析流程，實現了基于CAE技術的氣缸蓋溫度場虛擬預測；

b) 采用多次迭代計算方法對氣缸蓋溫度場進行預測分析，其最高溫度經4次迭代計算后由324.6 ℃降至313.4 ℃，計算結果趨于穩定，并通過試驗測試驗證了計算結果的準確性；

c) 氣缸蓋溫度場虛擬預測的有效性為物理樣機的虛擬改進設計與溫度場影響因素分析奠定了基礎，也為氣缸蓋溫度場在設計階段產品開發提供了參考。

[1] Xiqun Lu, Quan Li, Wenping Zhang， et al. Thermal analysis on piston of marine diesel engine[J].Applied Thermal Engineering,2013,50：168-176.

[2] 解茂昭.內燃機計算燃燒學[M].大連:大連理工大學出版社，2005．

[3] Bemhard U,Friedrich B.Development of Engine Cooling Systems by Coupling CFD Simulation and Heat Exchanger Analysis Programs[C].SAE Paper 2001-02-1695.

[4] 李迎，陳紅巖，俞小莉.流固耦合仿真技術在發動機穩態傳熱計算中的應用[J].內燃機工程, 2007,28(4):19-22.

[5] Ye J,Covey J.Coolant flow optimization in a racing cylinder block and head using CFD analysis and testing[C]. SAE Paper 2004-01-3542.

[6] 蘇萬華，趙華，王建昕，等.均質壓燃低溫燃燒發動機理論與技術[M]. 北京：科學出版社，2010.

[編輯: 李建新]

Prediction for Fluid-Solid Coupled Temperature Field of Cylinder Head Based on CAE Technology

DU Xianfeng1, 2, 3， LI Zhiyong3， LIANG Xingyu2， WANG Junwen1

(1. Automobile Vibration and Noise Engineering Technology Research Center of Liaoning Province， Liaoning University of Technology， Jinzhou 121001， China；2. State Key Laboratory of Engines， Tianjin University， Tianjin 300072， China；3. Dongfeng Chaoyang Diesel Co., Ltd.， Chaoyang 122000， China)

The temperature field of cylinder head was predicted with reasonable and effective CAE technology and the application of multi-software, multi-coupling and multi-iteration ensured the prediction accuracy The simulation boundary conditions for cylinder head flow and temperature field were acquired through AVL-Boost calculation and water circulation test, and AVL-Fire software analysis respectively.The temperature field of cylinder head was obtained through the fluid-solid coupling analysis by using Abaqus software, and the feasibility of temperature field prediction process was finally verified through multiple iterative calculation. The research laid the analysis foundation for the influencing factors of temperature field and improvement measures of physical prototype.

fluid-solid coupling; simulation; prediction; temperature field; cylinder head

2015-08-12;

2016-03-07

遼寧省博士啟動基金項目(20141200)； 遼寧省教育廳項目(L2015228)

杜憲峰(1984—)，男，博士，副教授，研究方向為柴油機振動噪聲控制；ifengdoo@126.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.012

TK413.2

B

1001-2222(2016)03-0063-04