流固耦合仿真技术在发动机稳态传热计算中的应用

为解决发动机传热研究中冷却水与缸套、机体之间的流动与传热问题，将有限元软件中提供的流固耦合仿真技术应用到发动机稳态传热计算中。建立了发动机活塞组-缸套-冷却水-机体流固耦合传热模型，该模型既包括了固体与固体之间的接触传热，也包括了流体与固体之间的耦合传热。同时，零件之间的传热边界条件也变得既简单又合理。以某型号柴油机为例进行了有限元仿真计算，并与活塞和缸套的温度场测量数据进行了对比分析。结果表明：仿真结果与试验测量数据误差较小，应用流固耦合仿真方法可以较好的模拟发动机稳态传热状态。     

用耦合法分析研究发动机的稳态传热

利用FLUENT分析软件对发动机的稳态传热进行了仿真模拟。以所建立的某柴油机耦合传热系统为例进行了仿真计算,得到了耦合系统(活塞、缸套、冷却水套)的温度场等相关信息。计算结果表明,用耦合法模拟柴油机活塞组、缸套和冷却水之间的稳态传热是可行的。     

基于有限元法的活塞-缸套-冷却水系统固流耦合传热研究

发动机活塞-缸套-冷却水组成的固流耦合传热系统涉及固体部件传热以及计算流体力学问题。确定此系统的内部边界条件成为发动机传热研究的难点。因此采用耦合分析方法将固体部件和流体部分作为一个整体进行研究。将活塞、缸套、冷却水系统内边界定义为wall边界，计算时自动在相耦合的两个体之间传递热交换条件，无需再进行单独定义，从而计算时可只定义系统外部边界条件。在进行有限元固流耦合传热计算方法研究基础上针对某6130发动机中活塞-缸套-冷却水系统进行数值仿真，所得结果相对试验结果有较高精度。     

喷油冷却活塞传热过程的流固耦合分析

应用ANSYS Fluent软件建立发动机活塞及其冷却结构三维瞬态流-固-热耦合模型,通过燃烧计算得到燃气平均温度与平均传热系数,作为燃烧室壁面热边界;活塞及其冷却结构采用流固耦合计算,使用两相流流体体积(VOF)模型与动网格模拟活塞喷油冷却过程;通过瞬态传热数值仿真,得到活塞振荡油腔流场云图、油气分布云图、冷却油腔传热系数及活塞温度分布,与标定工况下活塞温度测试数据对比分析,研究结果表明:仿真结果与测试数据误差在5%以内,由此说明应用活塞流-固-热耦合仿真方法可以较好模拟柴油机活塞及其冷却结构瞬态传热。     

基于沸腾模型的内燃机缸盖多场耦合传热

通过车用天然气发动机,建立了包括冷却水腔内流动沸腾传热、气缸盖内固体导热及缸内进排气燃烧在内的多场耦合仿真系统.采用直接耦合算法进行气缸盖固体区域与冷却水腔流体区域流固耦合仿真,采用顺序映射的方式进行缸内燃气区域与流固区域多场耦合仿真.通过CFD软件中UDF功能嵌入合适的单相沸腾传热模型对缸盖水腔内传热进行分析计算,并在此基础上结合试验测量结果,对比分析发动机在不同冷却水温度与不同冷却系统压力下缸盖温度场变化趋势.研究表明:多场耦合仿真系统可以解决缸盖传热边界不易给定的难题,能够更真实准确地描述出缸盖复杂传热过程,且考虑沸腾传热因素后有助于提高在不同冷却条件下缸盖热关键区域温度场的计算精度.     

基于流固耦合的柴油机缸盖缸套温度场模拟分析

以某型中速大功率柴油机缸盖缸套为研究对象,建立了流固耦合传热模型,利用STAR CCM+和ABAQUS软件完成缸盖、缸套的流固耦合仿真分析,研究了冷却水腔的流场、缸盖、缸套的温度场分布规律,为后续缸盖、缸套的优化设计提供了参考依据。     

某中速柴油机冷却液流动及流固耦合传热计算分析

为获得直观的流场和温度场数据,对某16缸中速柴油机建立了完整的冷却水三维模型,采用FLUENT流体计算软件对其进行了绝热CFD计算分析,得到了冷却水流速、压力等数据。考虑到各缸冷却水套为并列排布方式,各缸之间相对独立,建立了单缸的缸盖-缸套-冷却水耦合传热模型,对其进行了缸盖-缸套-冷却水耦合传热仿真,获得了各部件比较精确直观的温度场分布。结果表明:仿真结果与实测数据吻合较好,从而为柴油机冷却水套的优化设计提供了依据。     

发动机活塞组－缸套整体耦合系统瞬态温度场数值模拟

本文提出了一个发动机活塞组－缸套整体耦合系统的非稳态温度场数值分析模型。该模型可模拟发动机一个循环内活塞组、润滑油膜和缸套的温度场详细情况，并可预测活塞顶、缸套内表面、活塞环及润滑油膜的温度波动。本文对６１３５水冷柴油机，给出了实机计算结果。     

直接耦合法模拟计算活塞温度场

内燃机活塞处在复杂的受热状态,确定各部分换热边界条件成为活塞温度场研究的难点和重点.直接流热耦合法将活塞及与其相互作用同体和流体部分作为一个整体进行研究,将难以确定的外部边界条件转化为内边界,通过能量守恒的方法在固-液交界面上自动完成热量交换.使用CFD软件STAR-CD利用建立的活塞组、机体和冷却水套组成耦合模型,采用直接流热耦合方法计算了某汽油机活塞温度场,计算结果和实验值吻合得较好.     

某8缸中速柴油机冷却系统三相流固耦合传热分析

对某柴油机8缸整体冷却水套进行绝热流动模拟,得到冷却效果最差的一个缸及冷却液的流动边界条件;对该缸进行单缸气缸盖-冷却水套-气缸套流固耦合计算,得到了缸盖和缸套温度分布及水套流动及温度场情况;对该缸加入进、排气进行气-液-固三相流固耦合分析,得到缸盖温度场和水套温度场情况,与不考虑进、排气的情况以及与试验测得的工程数据的比较表明:考虑进、排气时的模拟结果更加接近试验值,说明该方法更符合实际情况。     

六缸柴油机冷却系统流动与传热的数值模拟研究

冷却水的流动与传热直接影响柴油机的冷却效率、高温零件的热负荷、整机的热量分配和能量利用。在冷却系统传热计算时，利用流固耦合的方法，较为准确地确定了缸体水套的传热边界条件。采用CFD商用软件STAR—CD对直列六缸柴油机的冷却系统的流动与传热进行三维数值模拟，给出了整机冷却水套内冷却液的流场、换热系数及压力场分布，为柴油机冷却水腔的优化设计提供了理论依据。     

High efficient configuration design and simulation of platelet heat exchanger in solar thermal thruster

Solar thermal propulsion system includes solar thermal propulsion and nuclear thermal propulsion, and it is a sig- nificant issue to improve the heat transfer efficiency of the solar thermal thruster. This paper proposes a platelet configuration to be used in the heat exchanger core, which is the most important component of solar thermal sys- tem. The platelet passage can enhance the heat transfer between the propellant and the hot core heated by the concentrated sunlight. Based on fluid-solid coupled heat transfer, the paper utilized the platelet heat transfer characteristic to simulate the heat transfer and flow field of the platelet passage. A coupled system includes the coupled flow and heat transfer between the fluid region and solid region. The simulation result shows that the propellant can be heated to the design temperature of 2300K in platelet passage of the thermal propulsion system, and the fluid-solid coupled method can solve the heat transfer in the platelet structure more precisely.     

Thermal-fluid-solid coupling of electric heat storage device based on wind power absorption

电网调峰能力不足，弃风问题严重，已成为我国风力发电规模进一步扩大的瓶颈。通过配置蓄热装置参与风电调峰，改变传统“以热定电”的约束模式，是解决我国大量弃风问题的一个趋势。提高电热蓄能装置效率及优化蓄热装置分布对于实现有效调峰具有重要意义。本文针对固体电蓄热装置内流动、传热、应力等现象，建立了热-流-固多场三维耦合传热数学模型，采用流-固耦合传热模型将难以确定的热流边界转化为系统内部边界，分析固体电蓄热装置温度场及应力场分布，并对比三种不同孔隙率、电热丝排布方式对蓄热装置温度分布均匀性及热膨胀量的影响。研究结果对提高固体电蓄热装置的效率以及电网调峰具有一定的参考价值。     

BEM/FDM conjugate heat transfer analysis of a two-dimensional air-cooled turbine blade boundary layer

A coupled boundary element method （BEM） and finite difference method （FDM） are applied to solve conjugate heat transfer problem of a two-dimensional air-cooled turbine blade boundary layer. A loosely coupled strategy is adopted, in which each set of field equations is solved to provide boundary conditions for the other. The Navier-Stokes equations are solved by HIT-NS code. In this code, the FDM is adopted and is used to resolve the convective heat transfer in the fluid region. The BEM code is used to resolve the conduction heat transfer in the solid region. An iterated convergence criterion is the continuity of temperature and heat flux at the fluid-solid interface. The numerical results from the BEM adopted in this paper are in good agreement with the results of analytical solution and the results of commercial code, such as Fluent 6.2. The BEM avoids the complicated mesh needed in other computation method and saves the computation time. The results prove that the BEM adopted in this paper can give the same precision in numerical results with less boundary points. Comparing the conjugate results with the numerical results of an adiabatic wall flow solution, it reveals a significant difference in the distribution of metal temperatures. The results from conjugate heat transfer analysis are more accurate and they are closer to realistic thermal environment of turbines.     

某汽油机改型前后机体温度场计算分析

直接流热耦合法将机体及与其相互作用的固体和流体部分作为一个整体进行研究,将难以确定的外部边界条件转化为内边界,通过能量守恒的方法在固-液交界面上自动完成热量交换。本文使用CFD软件STAR-CD,利用建立的机体、气缸盖和冷却水套组成耦合模型,采用直接流热耦合方法计算了某汽油机改型前后的机体温度场,计算结果和实验值吻合得较好,这反映了直接耦合法计算机体温度场有足够的精度。依据计算结果,本文对改型前后的机体温度场进行了详细地分析。     

传热对增压器径流涡轮叶片温度分布的影响

采用共轭传热计算方法,对某柴油发动机废气涡轮增压器径流涡轮流场进行了数值模拟,对比了叶轮在绝热和传热条件下温度分布的差别,研究了传热边界对叶轮温度分布的影响。结果表明,绝热条件下,叶片两侧的温度存在显著的温差,并且从叶轮进口到出口也有明显的温降;而传热条件下,相同叶高下的叶片表面温度分布近乎于一条直线,压力面和吸力面的温度几乎相同;在热平衡条件下,叶轮实体内的温度范围很小,不超过10 K,温度梯度较小表明由温差引起的热应力很小。