基于Simerics-MP+的活塞头部喷油冷却的多相及流固共轭传热...

1、前言

随着发动机小型化、高速化、增压化的发展趋势，活塞热负荷也在不断加重。一旦活塞的温度超过活塞材料所能承受的温度，其强度将大大降低，严重时还可能烧毁，因此降低活塞的热负荷直接关系到内燃机的耐久性和工作可靠性，是提高整机技术水平的关键。如何降低活塞热负荷已成为内燃机行业追求高的可靠性过程中所要重视的问题之一。目前，降低活塞热负荷最有效的方法就是对活塞进行喷油冷却。即冷却机油通过喷嘴喷入冷却油腔，在油腔内振荡吸收活塞热量后流出，从而降低活塞（特别是头部）温度。冷却喷嘴一般是固定在发动机机体上的冷却装置（也有大型船用柴油机冷却喷嘴在连杆小头上），在活塞作高速往复运动时，将冷却机油喷入内冷油腔内，如下图所示。

                               
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根据活塞喷油冷却结构设计的不同，一般可分为以下几种典型设计：

• 有/无环形冷却通道
• 喷嘴直喷/斜喷
  

                               
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2、难点概述

活塞喷油冷却的效果受喷油量、喷孔设计、冷却油道设计、活塞顶部高温燃气的周期性加热作用等各种因素影响，如采用纯试验的手段进行设计预估和改进难度太大且成本高。随着计算机技术的不断发展，利用CFD技术进行活塞喷油冷却模拟已成为可能，且已有相关研究人员进行了一些类似的模拟研究，取得了一定技术[color=rgb(68, 68, 68) !important]成果用来指导相关设计研究。然而已有的数值分析多对活塞喷油冷却计算模型进行了简化，没有实现真实的物理过程的模拟，多采用定常、单相的数值模拟手段，相对来说误差还可进一步缩小。简化模拟究其原因主要有以下几个技术难点：

• 活塞喷油冷却过程为气液两相过程，需要考虑空气和油液的多相流动；
• 发动机运行过程中，活塞一直处于周期性的运动过程，其在不同时刻所处位置不同，喷油的效果也不相同，采用CFD模拟时需要考虑活塞运动的动网格；
• 需要考虑活塞顶部高温燃气的周期性加热作用对于活塞的温度变化影响；
• 活塞固体的最终温度预测，需要综合考虑流体的冷却和固体的热效应，二者相互影响，需要考虑流固共轭传热。然而固体活塞可能需要几分钟才能达到稳定状态，按照1000转/分钟的速度，意味着要计算几千个周期的活塞运动，如此长的计算时间无法适用于活塞流场的计算；
• 数值模拟计算速度和精确性也是设计人员关注的重要指标，合理的计算周期和精确的计算结果才能有效应用到实际的工程研发当中。
  

3、基于Simerics-MP+的活塞喷油冷却共轭传热模拟方案
Simerics-MP+（原PumpLinx）为专业级的具有多领域独特应用优势的CFD仿真工具，在汽车、船舶、航空航天、核电、通用机械等均有独特的行业技术方案，且可细化到不同的典型应用模块，如活塞喷油冷却则是汽车行业的典型应用之一。针对活塞喷油冷却模拟所遇到的技术难点，Simerics-MP+提供的解决方案如下：

• Simerics-MP+内置有高鲁棒性的VOF多相流模型，可以精确模拟活塞内的气液两相流动状态，精确捕捉气液界面，包括细小的油滴状同样可以精确捕捉；
• Simerics-MP+专业开发的活塞喷油冷却模板，可以支持对活塞关键部位的结构网格划分，活塞运动过程的流体域动网格设置，实现活塞流体与固体的自动耦合传热模拟，无需其他的二次开发；
• 可以读入试验获取的或是第三方[color=rgb(68, 68, 68) !important]软件计算获得的活塞顶部高温燃气的周期性热源数据，考虑更精确的计算边界条件；
• 由于活塞固体的热惯性特征，意味着活塞在一个运动周期内的温度变化很小。因而Simerics-MP+采用时间异步的共轭传热模拟方法，当活塞流体域计算一个周期后将与活塞固体接触的壁面的周期平均热通量传递给固体，采用定常计算预测活塞固体的稳定温度；活塞固体完成温度场的定常计算后，将固壁温度数据传递给流体部分进行下一个周期的迭代计算，采用这种时间异步的方法，活塞可在10-20个周期内达到最终的稳定温度，从而有效解决了计算时间过长的问题。该方法已在多个主机厂的活塞喷油冷却试验中得到精度验证。
  

                               
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共轭传热数据传递

• Simerics-MP+的MPI并行计算助力计算效率的提升。
  

下面随小编来看看具体的应用案例吧。

4、活塞喷油冷却模拟实例展示

4.1几何介绍共对三种不同的设计方案进行了模拟计算，并与试验结果进行对比验证。分别如下：

• NT：无环形油液冷却通道，倾斜喷射
• GT：有环形油液冷却通道，倾斜喷射
• GS：带环形油液冷却通道，直喷
  

对应的流体部分的几何模型如下：

                               
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4.2网格及模型设置信息

以GT模型为例，介绍流体和固体部分的网格如下：

                               
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软件所采用的主要模型有：

• 活塞喷油模板：实现动网格设置，流固共轭传热的数据交互设置
• VOF多相流：油液和空气的两相流动模拟
• 基于雷诺平均的湍流模型
• 能量方程
  

计算条件如下：

                               
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其他输入由客户提供，主要包括：

• 燃烧产生的热通量数据
• 活塞内衬温度数据
  

                               
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4.3结果展示

部分计算结果展示如下：

                               
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冷却喷嘴带走的热量（为主要的热量带走途径）

                               
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活塞固体的温度分布

                               
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活塞固体多个位置监测点的温度结果与试验数据对比

小结

由上述具体的应用案例描述可知，Simerics-MP+采用流体计算与固体计算时间异步的方法，仅需Simerics-MP+一个软件即可实现活塞喷油冷却的真实物理过程模拟，预测活塞运动过程中流体和固体的各个关注结果，并可与试验获得较高的吻合度。其模板的便捷性和计算速度也成功加速了整个模拟过程，可在较短时间内预测合理结果。具体可总结如下：

• 本应用案例使用的硬件条件和计算时间数据为：使用48核（英特尔Xeon公司2.20GHz）的模拟时间约为1.5小时/转。活塞温度稳定在10到20个周期之间。
• 对于活塞冷却的预测模型，其应用优势有：
• 真实物理现象的模拟：气液两相、热交换、活塞喷油与活塞固体热耦合
• 活塞喷油冷却模板的灵活适应性：不同的几何形状均可支持，如倾斜/直喷、有通道/无通道等，且无需对几何进行简化，Simerics-MP+可精确解析来自CAD的几何；
• 精确性：温度预测的均方根误差小于15℃
• 高效快捷：活塞喷油模板使得整个设置过程相对更简便快速，软件可利用已有的物理数据加速模拟进程（如燃烧产生的热通量加载），并行功能使得计算效率大大增加。
  

Simerics-MP+ 活塞喷油冷却仿真视频教程
观看：edu.yanfabu.com/course/1722

                               
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