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发动机缸盖内部冷却水腔的设计与流动数值模拟(2)
原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-28 原文发表时间:2007-06-29 人气:1
本文章共2941字，分2页，当前第2页，快速翻页：
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表1控制微分方程中的Ф、ГΦ以及SΦ
 湍流子模型采用亚网格尺度模型(Subgrid Scale Model),紊流粘性系数表示为：
式中，ρ为气体密度，L为亚网格尺度的特征长度，计算中取为有限容积的特征长度，设有限容积的体积为VE，L取为：L＝V1／3E，Cμ为模型中的计算常数。
εij为流体的变形率张量分量，有：
壁面边界满足无滑移条件，有：u1，w=u2，w=u3，w=0，同时壁面作为绝热处理。进出口边界则假设进出口边界上的压力均匀分布，给出计算区域进口与出口压力pin与pout。
网格划分采用组合网格划分方法，这一方法的特点是对复杂形状有良好适应性以及实用性。
2.2几何模型的建立与网格划分
首先建立某一车用发动机缸盖的三维几何模型。缸盖内冷却水腔的入口在缸盖底面上，有多个进水孔，出口则位于缸盖的侧面上。由于是初步的研究工作，对冷却水腔的几何形状仍做了一定程度的简化。由于缸盖冷却水腔的形状十分复杂，几何模型的建立以及流动数值模拟前处理的工作量很大。为了提高处理效率并减少人为错误，自行开发了流动数值模拟前处理模块，用于完成以下功能：
a) 将三维几何模型转换为数字模型，以几何模型表面与规则网格相交的交点数据为描述形式；
b) 计算不规则控制容积的有关几何参数以及定义实际计算区域内的各类控制容积；
c) 按规定格式自动生成流动数值模拟所需的输入数据文件。
网格划分中，控制容积的基本边长取为5 mm左右，规则计算区域的控制容积划分为28×18×39，控制容积总数为19 656个。进口压力与出口压力分别给定为11 kPa与10 kPa。
图1是应用组合网格划分方法划分实际计算区域后所形成的缸盖内冷却水腔的几何计算模型。
图1缸盖内冷却水腔的几何计算模型
2.3计算结果及其讨论
通过流动数值模拟，获得了缸盖冷却水腔内部详尽的流速与压力分布情况，这一计算是应用自行开发的三维流动数值模拟计算软件在微机上进行的。
冷却水腔内部的流速分布是十分复杂的，所开发的后处理模块可对计算结果进行处理，输出二维或三维的流速矢量分布情况以及表示压力分布的等压线。
图2为通过进口的垂直截面内的流速分布，其中下部对应有2个进水孔，中间空腔为排气道截面。从本文计算结果来看，冷却水腔进口处由于流通截面积较小，因而有着较高的流速。这一从下向上的流动有着类似射流的效果，在其四周形成涡流。在这一部位如果能够通过有意识地设计引导水流以较高流速流向热负荷较大的区域，将会有更好的冷却效果。
图2通过进口垂直截面内的流速分布
图3为靠近缸盖底部的水平截面内的流速分布，其中中间对应的5个空腔分别为气门挺杆孔、进排气道、喷油器座的相应截面。计算结果表明，在进排气门座和喷油嘴之间的“鼻梁区”的水流流速偏小。
图3靠近缸盖底部的水平截面内的流速分布
图4为缸盖中部的水平截面内的流速分布，图中有较完整的气门挺杆孔和进排气道截面形状。从计算所得的压力分布来看，冷却水腔内部的压力降较小，而主要的压力降仍集中在进口与出口处。
图4缸盖中部的水平截面内的流速分布
3结论
为了实现优化冷却水流动与提高结构疲劳强度的目标，必须应用数值模拟的方法，以克服设计与改进中的盲目性与局限性。
虽然所做的工作还是初步的，但已实现了具有复杂形状的冷却水腔内部的流动数值模拟，证实其可作为发动机缸盖冷却水腔设计中的工具加以应用。进一步的工作将集中在通过流场的分析来改进与优化冷却水腔的结构并掌握其设计规律。在数值模拟方面，对传热模型和湍流模型等将做进一步的探讨。 ( |
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