摘 要

近年内燃机向小型化、高性能、高强度方向发展，虽带来了动力性、经济性的提高，却使得内燃机的热负荷显著增加，因此对强化内燃机冷却系统冷却性能的研究至关重要。本文的研究课题来源于某车企一动力总成开发项目，项目背景是将某1.6T汽油机采用缩缸设计方法小型化为1.5T汽油机。

本文应用流固耦合的理论和方法，对上述1.5T强化内燃机进行了冷却水套和缸盖-缸垫-缸体系统的传热性能研究。文章的主要工作包括：

首先进行对该强化内燃机的冷却水套进行了基于CFD理论的数值仿真计算，获取了在峰值转速下的冷却水套内的压力分布、流场分布、换热系数场分布等流场分布情况。由于缸垫上水口设计对冷却水套流场分布影响甚大，本文特别对缸垫上水口处的流场进行了流速分析。数值仿真结果表明，所研究发动机冷却水套的背压分布均匀，缸盖冷却水套平均流速达到0.5m/s以上，缸盖冷却水套壁面的平均换热系数在5KW/(m²K)以上。综合上述，该强化内燃机的冷却水套基本满足换热要求。但在分析流场与换热系数场分布时，发现在缸盖的鼻梁区存在流速分布不均匀及缸体底部存在流动死区的问题。

在冷却水套流场仿真的基础之上，应用流固耦合分析理论并采用顺序耦合法，在STAR-CCM 仿真平台上对缸盖-缸垫-缸体耦合系统进行了温度场的数值仿真计算：耦合冷却水套和外围零部件的第三类热边界，以峰值转速下排气道、火力面等区域的工程经验温度值作为边界条件，求解了缸盖-缸垫-缸体的温度分布。温度场求解结果表明，该样机的冷却系统有较好的工作可靠性与稳定性。

关键词：CFD分析；冷却水套；流固耦合；传热

Abstract

In recent years, the internal combustion engine has been developed in the direction of miniaturization, high performance, and high strength. Although the power and economy have been improved, the thermal load of the internal combustion engine has increased remarkably. In this context, research on strengthening the heat transfer performance of internal combustion engine cooling systems is crucial.

In this paper, the theory and method of fluid-structure coupling are applied to study the heat transfer performance of a cooling water jacket and cylinder head-cylinder head-cylinder for a 1.5T intensive internal combustion engine. The main work of the article includes:

Firstly, the numerical simulation calculation based on CFD theory is carried out on the cooling water jacket of the intensive internal combustion engine, and the evaluation basis of the pressure distribution, flow field distribution and heat transfer coefficient field distribution of the coolant at the peak speed is obtained, especially for the cylinder. The flow field analysis was carried out on the pad nozzle. The results show that the cooling capacity of the cooling water jacket can be optimized and improved by adding a baffle and improving the arrangement of the water outlet.

Based on the simulation of the cooling water jacket flow field, the sequential coupling method was used to simulate the temperature field of the cylinder head-cylinder head-cylinder with STAR-CCM software, coupled with the cooling water jacket and peripheral components. The third type of thermal boundary solves the temperature distribution of the cylinder head-cylinder head-cylinder. The temperature field solution results show that the cooling system of the prototype has better working reliability and stability.

Key Words：CFD Analysis；Cooling Water Jacket；Fluid-Solid Coupling; Heat Transfer

目 录

1.1课题研究背景和研究意义 1

1.1.1课题背景 1

1.1.2相关算法研究背景 2

1.1.3课题研究意义 2

1.2国内外研究现状 3

1.2.1内燃机传热研究现状 4

1.2.2内燃机强化传热研究现状 5

1.3课题研究内容及技术路线 6

2.1计算流体力学简介 7

2.2计算流体力学的工作步骤 7

2.3流体流动的数学模型 8

2.3.1传热模型简介 8

2.3.2流体动力学控制方程 9

2.3.3湍流与湍流模型 11

2.3.4壁面函数法 14

2.4内燃机传热理论及模型 15

2.4.1热传导基本定律 15

2.4.2对流换热理论 17

2.4.3热边界条件 20

2.5数值离散方法 20

2.6 计算流体力学问题的求解流程 22

第三章 冷却水套的CFD计算分析 24

3.1冷却水套几何模型建立 24

3.2冷却水套CFD网格划分 25

3.3边界条件、初始条件及求解参数设置 26

3.4 CFD计算结果分析 27

3.4.1冷却液压力分布 28

3.4.2冷却液流速及流线分布 29

3.4.3 冷却水套壁面换热系数分布 32

3.4.4上水口流场分析 32

3.4.5冷却水套流场分析小结 33

第四章 缸盖-汽缸垫-缸体系统热应力计算分析 35

4.1流固耦合传热 35

4.2 缸体-汽缸垫-缸盖系统几何模型 36

4.3有限元模型的建立 37

4.4边界条件设置 38

4.5温度场计算结果分析 39

4.5.1缸体温度场分布 40

4.5.2 活塞壁面温度场分布 41

4.5.3缸盖壁面温度分布 41

4.5.4 水套壁面温度分布 42

4.5.5温度场分析小结 43

第五章 总结与展望 44

第1章 绪论

1.1课题研究背景和研究意义

1.1.1课题背景

内燃机的历史可以追溯到1876年，奥托首次开发电火花点火发动机，1892年迪赛尔发明了压燃式发动机。 从那时起，随着对新型发动机的需求增加，发动机运行环境限制的不断严苛，以及我们对发动机制造工艺的研究不断深入，发动机技术蓬勃发展。 内燃机以及内燃机开发和制造企业在动力和能源领域中起主导作用。 随着空气污染不断加重，燃料成本增加和市场竞争力等问题，过去二十五年左右的发动机研究和开发出现了爆炸式增长。

由公安部交通管理局的统计数据，中国机动车的保有量截至2018年9月达到3.22亿量，其中汽车的保有量达到2.35亿辆，私家车保有量为1.84亿辆。关于中国汽车保有量发展的预测引起了行业内专家的讨论。中国汽车工业协会的“中国汽车发展战略研究”课题对此进行了多因素分析和研究，基于宏观经济，政策影响，消费水平，市场经验等影响因素作出了汽车市场的中长期发展预测。课题研究还综合了国土面积、石油资源、人口特征多方面的影响，中庸估计到2030年中国汽车的产销量达到峰值，汽车保有量达4.5亿辆^[1]，汽车市场发展到了后半段。

自2003年，中国成为第二大石油消费国，并长期面临着内部供给不足，外部依存度较高的问题。并且随着经济发展，城镇化和工业化发展，人口增长，石油消费将依然保持快速增长，与此同时，能源结构调整正受到前所未有的关注。其中交通业的石油消费强度高，通过技术改进该行业的能源效率是控制石油消费的重要途径^[2]。能源安全，环境污染问题，节能与减排的时代主题于内燃机发展方向上的影响不言而喻。发展小型强化发动机是发动机研发制造行业的共识。

涡轮增压技术已有百年历史，在航天，航海以及陆地机械特别是如今在车辆领域的应用十分广泛。如今，涡轮增压在高性能汽油机上的应用愈加频繁。使用涡轮增压技术可以在发动机功率不变的前提下降低发动机尺寸，这对小型发动机的意义重大。涡轮增压器的原理是利用发动机废气能量来驱动涡轮机，涡轮机进而带动同轴的压气机转动，对进气道内的空气压缩，提高进气量进而增加发动机的功率、热效率。发动机增压之后的油耗可以降低5%到10%，功率可提高50%以上，同时可以降低发动机的排放^[3]。在提高发动机性能的同时，涡轮增压带来的热负荷问题不可忽略，增压汽油机的排气温度会显著上升，排气门，活塞和涡轮等发动机零部件的热负荷加重，这提高了增压发动机的工作可靠性和工作寿命的要求^[4]。

在动力系统开发中，由数值计算理论和计算机高性能计算技术引导的模拟仿真实验方法已成为应用主流。计算机辅助技术（CAE）在产品开发流程中起到了十分重要的作用，该技术可以对产品的结构强度，运行可靠性，寿命分析进行仿真，从而可以在产品开发过程中了解当前设计的不足和缺陷，并节省实验研究和样本生产成本，大大缩短产品开发周期。以有限元法（FEM）为代表的CAE分析技术应用广泛，相关的工业软件繁多。本文运用有限元方法对缸盖-缸垫-机体系统进行一系列热流场分析。

1.1.2相关算法研究背景

发动机传热研究涉及到了多个物理场的耦合以及发动机结构上的耦合。燃烧室的高温壁面将热量传递给冷却递质，这一物理过程涉及到的计算包括：燃烧、气固传热、流动、流固传热、固壁传热等相关模型。结构上，发动机传热则包括缸体，缸垫和缸盖，功能上划分又可以分为燃烧室、燃料供给系统、进排气道和冷却水套等部件。在此前提下，学界提出了流固耦合模型来解决传热问题。

耦合指的是多个物理场的相互作用，耦合模拟分为顺序耦合以及直接耦合，后者又被称为整体耦合。流固耦合的基本思想是将发动机在结构上视为整体，在此基础上进行多物理场的耦合计算。在流固耦合计算方法之前，一般是将固体零部件和冷却介质分开计算，由燃烧模型得到燃烧室侧边界条件并假设冷却水侧的换热系数分布，使用有限元分析工具对固体部件进行传热计算，以该计算结果作为冷却水套CFD计算模型的边界条件。这种方法的弊端在于需要多次调整对冷却水侧的换热系数分布的假设，直到计算结果与试验结果相符合，过程复杂且难以精确确定边界条件。

另外，由于发动机的形状复杂，采用上述方法需要对边界条件的进行相当多的假设与简化，一般做法是按照经验公式施加边界条件，误差较大。采用流固耦合，可以使得数值模拟更加贴合内燃机的实际工作状态，可以将这些复杂的边界条件转化为模型的内边界，省去了边界条件的假设和定义流程，发动机传热模型在各个部件上有了更直观和科学的联系，如将冷却水套边界和受热部件的边界加以联系，直接对冷却系统和燃烧室系统进行耦合计算，得到的热流场结果更为可信^[5]。

随着有限元法，有限差分方法的不断成熟，计算机计算能力的提高，使得整体耦合计算成为可能。由于流固耦合的整体计算的种种优点，采用流固耦合传热计算已经成为相关行业内的普遍做法。

1.1.3课题研究意义

涡轮增压汽油机的零部件热负荷相比于自然吸气发动机显著提高，而内燃机零部件热负荷对于其工作可靠性，使用寿命的影响极大，因此，涡轮增压发动机冷却系统的研究十分重要。在发动机工作过程中，若冷却系统不能有效带走零件上多余热量，会使得发动机局部温度过高，将对发动机的运行产生严重影响^[6]：

功率下降。由于冷却条件变差，气缸内的温度上升，尤其是进气道附近的零部件温度过高导致空气膨胀，进入气缸内的气体体积显著下降，空燃比降低，燃烧条件不能得到很好的保证，这使得内燃机的运行不能达到额定功率。

可靠性下降。在正常运行时，发动机气缸的最高温度可达到2500℃，即使在怠速情况下，燃烧室的温度也在1000℃左右。燃烧室的金属零部件的热负荷极高，容易产生诸多如蠕变、烧蚀等失效。在冷却条件不良的条件下，零件容易出现裂纹，断裂等问题，是的发动机可靠性下降。

润滑油失效。润滑油在高温时粘性下降，进而使得润滑油膜破裂，使得润滑性能下降，这将引起活塞、配气机构等运动件的磨损加剧。另外，过高的燃烧室温度使得活塞内的机油极易出现胶结现象，甚至会使得活塞环卡死。

破坏装配关系。冷却条件不良将导致局部零件受热膨胀，改变机构之间的配合关系，这将导致磨损加剧，出现诸如拉缸，气阀漏气等现象。

发动机热负荷问题主要集中在缸盖及机体顶部区域，其中缸盖是汽油机中形状最复杂的零件之一，缸盖底部的火力面，气缸缸套以及活塞的顶面构成了变化最剧烈也最复杂的燃烧室。缸盖的冷却水套部分是冷却液流动的区域，对于发动机温度控制起到决定性的作用。缸盖燃烧室与冷却水套壁面形成了显著的温度梯度，在缸盖区域形成了很大的热应力。缸盖同时存在许多对配合关系敏感的零部件，如气门座圈，导管，另外还有许多螺栓连接，因此缸盖有着热应力和机械应力的叠加负荷，容易产生疲劳破坏。因此，在增压发动机的设计初期，对缸盖进行热-机械负荷的模拟仿真，分析缸盖的疲劳性能和工作寿命至关重要。缸体的热负荷问题较之缸盖虽小，但也不能忽视，缸体的受热不均，会产生热应力和热变形，这对于活塞与缸套之间的配合影响较大，需要避免变形量增加导致的活塞拉缸现象。

涡轮增压带来发动机功率提高的同时也带来了许多负面影响，加重了缸体缸盖的热机负荷，使得出现变形、蠕变、烧结、敲缸等故障的倾向增加，还会使得发动机的噪声增加，对乘坐舒适性造成影响。研究涡轮增压发动机的有效技术是结合传热学及流体力学的知识，设计优化冷却系统，改善热负荷高的发动机零部件的工作环境。随着计算机技术的不断进步，数值模拟技术得到了充分的发展，在内燃机的应用研究中有着广泛的应用。通过数值仿真技术可以得到试验所不易看到的结构内部的物理现象，还可以节约时间和人力物力成本，避免了大量实验耗费，在产品设计研发阶段即可得知设计参数或结构是否满足要求。应用数值模拟技术对于充分了解所设计的冷却系统的散热能力和潜在失效零件的热负荷情况意义重大。

1.2国内外研究现状

起初内燃机的冷却传热研究是以试验为基础，获得发动机运行过程中的有关参数后，代入传热数学模型中进行计算。即从物理化学模型着手，利用微分方程对内燃机工作过程进行数学描述，再通过数值计算方法求解内燃机的温度场，流场^[7]。随后研究人员对固体和液体部件的传热模拟进行了大量研究，前者集中于对单个部件如缸盖，缸套，活塞的传热研究，后者则涉及了流场和传热的耦合问题，这些研究均为整体固流耦合传热计算提供了研究依据，整体固流耦合包括了系统中固体部分和液体部分中各个物理场的耦合。

1.2.1内燃机传热研究现状

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