发动机冷却系统流固耦合稳态传热三维数值仿真

为解决发动机传热计算时冷却水与缸套、机体之间的流动与传热耦合边界问题，建立了发动机活塞组-缸套-冷却水-机体三维流固耦合系统，并利用有限元分析软件的流固耦合计算功能，把单个零件的传热外边界条件处理成内边界，使得传热仿真更合理更简单。以某增压柴油机为例，用有限元分析软件ANSYS对建立的三维流固耦合模型进行了稳态传热数值仿真，得到了耦合系统的温度场和流场云图。与标定工况下活塞和缸套的温度场测量数据进行了对比分析，结果表明：仿真结果与实测数据吻合较好，误差控制在8％以内。由此说明应用流固耦合仿真方法可以较好地模拟发动机稳态传热。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

流固耦合研究纳米流体在内燃机冷却水腔中的传热

在发动机的冷却系统内用纳米流体代替传统的冷却工质水,对六缸柴油机采用整体耦合的方法,将冷却系统与内燃机固体部件当作一个耦合体,使流固边界成为内部实时边界,对纳米流体在整机冷却系统中的流动与传热特性进行研究,考察不同种类、不同体积分数、不同粒径的纳米流体对内燃机冷却系统传热的影响规律,给出了整机冷却水套内冷却液的流场、换热系数、压力场以及准确的温度场分布,为内燃机热应力的计算以及纳米流体在柴油机冷却水腔的应用奠定了理论基础.     

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.     

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.     

车用内燃机冷却系统动态传热模型

提出了一个基于集总参数法的车用内燃机冷却系统动态传热模型。考虑了内燃机燃烧室、散热器和水泵的传热和冷却系统的工作,建立了机体、散热器、水泵与冷却介质之间的热耦合计算公式。对一台单缸柴油机冷却系的稳态及动态温度进行了计算,结果证实该模型可用于内燃机冷却系统的动态传热特性研究。     

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。     

Conjugate heat transfer characterization in cooling channels

Cooling technology of gas turbine blades,primarily ensured via internal forced convection,is aimed towards withdrawing thermal energy from the airfoil.To promote heat exchange,the walls of internal cooling passages are lined with repeated geometrical flow disturbance elements and surface non-uniformities.Raising the heat transfer at the expense of increased pressure loss;the goal is to obtain the highest possible cooling effectiveness at the lowest possible pressure drop penalty.The cooling channel heat transfer problem involves convection in the fluid domain and conduction in the solid.This coupled behavior is known as conjugate heat transfer.This experimental study models the effects of conduction coupling on convective heat transfer by applying iso-heat-flux boundary condition at the external side of a scaled serpentine passage.Investigations involve local temperature measurements performed by Infrared Thermography over flat and ribbed slab configurations.Nusselt number distributions along the wetted surface are obtained by means of heat flux distributions,computed from an energy balance within the metal domain.For the flat plate experiments,the effect of conjugate boundary condition on heat transfer is estimated to be in the order of 3%.In the ribbed channel case,the normalized Nusselt number distributions are compared with the basic flow features.Contrasting the findings with other conjugate and convective iso-heat-flux literature,a high degree of overall correlation is evident.     

考虑沸腾换热的内燃机流固耦合传热分析

某发动机在开发过程中缸套顶部出现机油结焦现象.为分析原因,建立了该发动机缸盖缸体整机耦合传热模型,通过CFD三维仿真获得冷却水侧及缸内燃气侧的温度和对流换热系数分布,并映射至对应结构分析边界单元,建立了整机结构传热分析的边界条件;同时基于BDL单相流沸腾换热模型编写相关子程序考虑了沸腾换热的影响,求解分析了该发动机试验状态下的温度场,并进行了优化.计算表明,结焦现象发生区域温度明显高于机油碳化温度,同时沸腾换热对局部关键高热区影响可达15℃以上.为验证分析结果,分别测量了原方案和优化方案缸套顶部缸间温度,结果表明,考虑沸腾换热后缸间温度计算值与实测数据非常接近,采用优化方案后缸套顶部机油结焦问题得到排除.     

Analysis of temperature gradient bifurcation in porous media – An exact solution

The phenomenon of temperature gradient bifurcation in a porous medium is analyzed by studying the convective heat transfer process within a channel filled with a porous medium, with internal heat generation. A local thermal non-equilibrium (LTNE) model is used to represent the energy transport within the porous medium. Exact solutions are derived for both the fluid and solid temperature distributions for two primary approaches (Models A and B) for the constant wall heat flux boundary condition. The Nusselt number for the fluid at the channel wall is also obtained. The effects of the pertinent parameters such as fluid and solid internal heat generations, Biot number and fluid to solid thermal conductivity ratio are discussed. It is shown that the internal heat generation in the solid phase is significant for the heat transfer characteristics. The validity of the one equation model is investigated by comparing the Nusselt number obtained from the LTNE model with that from the local thermal equilibrium (LTE) model. The results demonstrate the importance of utilizing the LTNE model in the present study. The phenomenon of temperature gradient bifurcation for the fluid and solid phases at the wall for Model A is established and demonstrated. In addition, the temperature distributions for Models A and B are compared. A numerical study for the constant temperature boundary condition was also carried out. It was established that the phenomenon of temperature gradient bifurcation for the fluid and solid phases for the constant temperature boundary condition can occur over a given axial region.     

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。