某型通機(jī)消聲器護(hù)罩溫度場分析及其實驗研究

譚禮斌，黃 燦，劉小強(qiáng)，余千英，唐 琳，何 丹，冷小麗

（隆鑫通用動力股份有限公司技術(shù)中心基礎(chǔ)研究所CFD研究室，重慶400039）

0 引言

通機(jī)（General Purpose Engine），是指車用及特殊用途以外的發(fā)動機(jī)。通機(jī)主要由進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、箱體、缸頭、缸頭蓋、箱體蓋、空濾器、消聲器及護(hù)罩等組成。其中，排氣消聲器在工作時具有較高的溫度，消聲器護(hù)罩用于防護(hù)排氣消聲器的同時，可以防止人與高溫消聲器直接接觸而造成皮膚灼傷。通機(jī)消聲器護(hù)罩一般由成型鋼板沖壓制成，相關(guān)法規(guī)對護(hù)罩表面溫度有嚴(yán)格的要求。為了滿足法規(guī)和外觀設(shè)計要求，護(hù)罩通常需多輪修模甚至重新開模才能合格，嚴(yán)重影響了開發(fā)進(jìn)度，浪費(fèi)人力物力。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)輔助工程（CAE）分析在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用?；谟嬎銠C(jī)虛擬仿真開發(fā)（SimCenter）的集成化平臺，對工業(yè)各領(lǐng)域產(chǎn)品進(jìn)行虛擬設(shè)計與開發(fā)，已逐漸成為行業(yè)的趨勢[1-2]。目前，基于計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）的仿真分析在航空航天、汽車、通用機(jī)械等行業(yè)運(yùn)用廣泛。因此，本文以某型通機(jī)為研究對象，采用通用流體分析軟件STAR-CCM+為虛擬仿真平臺，利用數(shù)值模擬方法預(yù)測某型通機(jī)消聲器護(hù)罩表面溫度的分布情況，獲得某型通機(jī)消聲器護(hù)罩表面溫度分布，與實驗實測溫度值對比分析，驗證數(shù)值模擬分析方法的可靠性。本文的研究成果對后續(xù)通機(jī)消聲器護(hù)罩的優(yōu)化設(shè)計、提升產(chǎn)品性能具有重要的指導(dǎo)意義。

1 物理模型

某型通機(jī)整機(jī)三維模型采用Unigraphics NX 8.0（Siemens PLM Software，Italy）建模獲得（圖 1a）。流體仿真分析軟件 STAR-CCM+（Siemens PLM Software，Italy）具有較高的集成度，是幾何前處理、網(wǎng)格劃分、計算求解、后處理功能一體化的集成軟件，且具有自帶的多面體網(wǎng)格技術(shù)和ThinMesher（薄壁層網(wǎng)格）技術(shù)。在流固耦合模擬中，采用薄壁層網(wǎng)格可以自動探測固體薄壁件，劃分為高質(zhì)量、均勻分布的類似于棱柱一樣的網(wǎng)格，同時能大大控制網(wǎng)格數(shù)量，保證能量方程計算能夠得到很好的收斂。本文采用STARCCM+11.06為分析平臺，基于整機(jī)流場特性分析的網(wǎng)格參數(shù)控制策略研究結(jié)論對整機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置，流體計算域采用多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格（邊界層6層）技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，固體計算域采用多面體網(wǎng)格和薄壁層網(wǎng)格（薄壁層5層）技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分[3]。網(wǎng)格生成后的整機(jī)計算域網(wǎng)格模型圖如圖1（b）所示，網(wǎng)格數(shù)量約為 600 萬。圖 1（c）為消聲器護(hù)罩表面13個溫度測量點(diǎn)。常用的溫度測量方法有紅外熱成像儀、點(diǎn)溫計、溫度傳感器等[4]，本文選用點(diǎn)溫計進(jìn)行消聲器護(hù)罩表面溫度的測量。

圖1 整機(jī)模型示意圖

2 數(shù)學(xué)模型

流體流動滿足三大守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。在流體流動處于湍流狀態(tài)時，整個體系還要遵循湍流運(yùn)輸方程。以上這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述，統(tǒng)稱為控制方程。文中選用STAR-CCM+中提供的Realizable k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值計算。

湍流控制方程為三維不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes方程：

（1）質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）[5，6]

該方程表述為在同一時間內(nèi)某一封閉流體控制體表面的體積流量為零，即流入的體積流量等于流出的體積流量。不可壓縮流體下，密度ρ為常數(shù)的質(zhì)量守恒方程如式（1）所示。

（2）動量守恒方程（Navier-Stokes方程）[6]

該方程可表述為某一流動控制體，其動量的積累速率等于作用于控制體上的外力的總和。

（3）能量守恒方程[7-8]

溫度場分析需要考慮熱對流、對傳導(dǎo)及輻射傳熱等三種熱交換形式。含有熱交換的流動系統(tǒng)必須滿足能量守恒定律，即對某一流動控制體中流體所做功與熱交換傳遞給流體的熱量等于流體能量的增值。以溫度T為變量的能量守恒方程如式（3）所示。

式中：ui、uj是平均速度分量，m/s；xi、xj為坐標(biāo)分量，m；p是流體微元體上的壓力，Pa；μeff是湍流有效黏性系數(shù)，Pa·s；T 是溫度，K；λ 為流體換熱系數(shù)，W/m2.K；Cp為流體比熱容，J/（kg·K）；ST是流體內(nèi)熱源和由粘性作用引起流體機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，J.

（4）k-ε湍流模型方程[9]

k-ε湍流模型方程是基于湍流動能和湍流耗散率的半經(jīng)驗公式，其中k方程（湍動能方程）為精確方程，而ε方程（湍流耗散率方程）則是由經(jīng)驗公式經(jīng)過推導(dǎo)形成的。k-ε湍流模型方程如式（4）所示。

式中：Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動能項；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動能項；YM表為脈動擴(kuò)張項；C1ε，C2ε，C3ε為經(jīng)驗常數(shù)；σk，σε分別為與湍動能k和耗散率相對應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk和Sε為用戶自定義的源項。

（5）輻射傳熱模型

輻射傳熱模型選擇為Surface to Surface Radiation，類型為Gray Thermal Radiation.表面A1和表面A2之間的輻射換熱能量的計算公式為[10]：

式中：φb12為輻射能量，W；X12、X21為角系數(shù)；A1、A2為表面積，m2；Eb1、Eb2為輻射能力，W/m2.固體計算域模型中任意兩個表面，若其表面面積和溫度已知，若角系數(shù)一旦確定，即可求出輻射換熱能量。因此問題的關(guān)鍵為求解并確定角系數(shù)。STAR-CCM+中可以通過View Factor Calculator計算角系數(shù)，通過固體熱邊界條件（溫度和換熱系數(shù)）的輸入，可以計算出受熱輻射部件的表面溫度，從而可以獲得固體部件的輻射傳熱溫度場[10-11]。

3 邊界條件

本文邊界設(shè)置均采用實測邊界進(jìn)行設(shè)置。圖2所示為邊界加載區(qū)域示意圖（進(jìn)出口邊界及熱邊界加載區(qū)域）。消聲器入口采用Mass Flow inlet邊界，流量為1.016 g/s，溫度為280℃；空濾器采用Mass Flow Inlet邊界，流量為0.975 g/s.虛擬計算域按照通機(jī)實驗室實際大小建立，入口設(shè)置為滯止入口（Stagnation Inlet），出口設(shè)置為壓力出口（Pressure Outlet）；實驗測試環(huán)境溫度為28℃；流體屬性選擇為理想氣體（Ideal Gas）。為了進(jìn)行通機(jī)消聲器護(hù)罩溫度場的計算，本文對缸套、進(jìn)排氣道、缸頭燃燒室、缸體、箱體內(nèi)表面進(jìn)行了相應(yīng)的熱邊界設(shè)置，其中缸體、箱體內(nèi)表面溫度設(shè)置為80℃，對流傳熱系數(shù)設(shè)置為100 W/m2·K.缸套劃分為 Cylinder-up、Cylinder-middle、Cylinder-down三個區(qū)域，對應(yīng)的加載溫度分別為200℃、225℃、250℃，對流換熱系數(shù)都設(shè)置為300 W/m2·K；缸頭進(jìn)排氣道（Intake Pipe、Exhaust Pipe）、燃燒室面四個區(qū)（Sparkplug、Zone1、Zone2、Zone3） 按空載運(yùn)行狀態(tài)下熱流量進(jìn)行加載，分別為43 760 W/m2，14 850 W/m2，169 000 W/m2，112 500 W/m2，72 560 W/m2，25 430 W/m2.

圖2 邊界加載區(qū)域示意圖

本文在通機(jī)消聲器護(hù)罩溫度場分析中，在流體計算域側(cè)考慮了輻射傳熱，因此需要設(shè)置固體部件材料的輻射發(fā)射率。本文將缸體、箱體、消聲器部件等處理為固體，缸體、箱體材料為ADC12，發(fā)射率為0.5；消聲器部件材料為ST14，發(fā)射率為0.5；其余非金屬部件（風(fēng)扇罩、空濾器、油箱等部件）材料為PP，發(fā)射率為0.9[12]。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 模型驗證

圖3為整機(jī)結(jié)構(gòu)布置圖及發(fā)動機(jī)主體（箱體、缸體及火花塞）表面溫度分布云圖。圖中火花塞截面處的溫度仿真值為177℃，實驗測試溫度為168℃，兩者間的差異較小，誤差為5.4%，表明本文的熱邊界加載區(qū)域的劃分方法及其邊界的取值是合理的，可以用于后續(xù)消聲器護(hù)罩表面溫度場的仿真預(yù)測。

圖3 整機(jī)結(jié)構(gòu)布置圖及發(fā)動機(jī)主體表面溫度分布云圖

4.2 輻射傳熱計算結(jié)果

圖4 、圖5分別為消聲器護(hù)罩的溫度分布云圖、消聲器護(hù)罩的輻射能量圖。從圖4可以看出，消聲器護(hù)罩總體平均溫度約為60℃，消聲器護(hù)罩表面背離通機(jī)風(fēng)扇側(cè)的溫度比正對通機(jī)風(fēng)扇側(cè)的溫度略高，原因是較多的冷卻風(fēng)能夠流經(jīng)正對風(fēng)扇側(cè)的護(hù)罩表面，而流過背離風(fēng)扇側(cè)的護(hù)罩表面的冷卻風(fēng)較少，未能得到較好的冷卻。同理，圖5可以看出，背離通機(jī)風(fēng)扇側(cè)的遠(yuǎn)離風(fēng)扇側(cè)的輻射能量大，溫度較高。

圖4 消聲器護(hù)罩溫度分布云圖

圖5 消聲器護(hù)罩輻射能量圖

4.3 實驗驗證

圖6 為消聲器護(hù)罩表面13個測點(diǎn)的溫度實測值與仿真值的對比曲線圖。從圖中可以看出，該消聲器護(hù)罩表面溫度仿真結(jié)果與實測結(jié)果變化趨勢基本一致，總體平均誤差約9%.表明本文構(gòu)建的消聲器護(hù)罩溫度場計算方法是可行的，可以有效地預(yù)測消聲器護(hù)罩表面溫度分布，為通機(jī)消聲器護(hù)罩設(shè)計與開發(fā)的前期提供相應(yīng)的分析支撐。造成測點(diǎn)溫度仿真值與實測值存在誤差的原因可能是仿真溫度提取點(diǎn)與實驗測點(diǎn)選取間可能存在偏差和模擬假定固定不變的材料物理屬性（實際材料物理屬性是隨溫度變化的）。

圖6 消聲器護(hù)罩各測點(diǎn)溫度仿真值與實測值的對比分析曲線

5 結(jié)論

（1）采用STAR-CCM+流體分析軟件對某型通機(jī)消聲器護(hù)罩進(jìn)行了溫度場分析，與點(diǎn)溫計測取的溫度值進(jìn)行了對比分析，13個測點(diǎn)的溫度仿真結(jié)果與溫度實測結(jié)果的整體變化趨勢基本一致，總體誤差較小。通過模擬與實驗的對比驗證分析，表明本文構(gòu)建的通機(jī)消聲器護(hù)罩溫度場計算方法具有一定的可行性，可以有效地預(yù)測消聲器護(hù)罩表面的溫度分布情況。

（2）消聲器護(hù)罩表面溫度分布合理，護(hù)罩表面總體平均溫度約為60℃，消聲器護(hù)罩背離通機(jī)風(fēng)扇側(cè)的輻射能量大，溫度較高，護(hù)罩正對通機(jī)風(fēng)扇側(cè)的輻射能量小，溫度較低。消聲器護(hù)罩溫度仿真值與實驗值之間的總體平均誤差約為9%，產(chǎn)生誤差的原因主要是溫度測點(diǎn)的提取差異、幾何模型的簡化及材料物理屬性不定的假設(shè)。

（3）采用計算流體力學(xué)的數(shù)值模擬方法可以有效預(yù)測消聲器護(hù)罩表面溫度分布，評估溫度值的合理性，可為消聲器護(hù)罩的設(shè)計與開發(fā)提供分析支撐，減小實驗次數(shù)，降低開發(fā)成本，且開發(fā)成功的消聲器護(hù)罩能夠滿足相應(yīng)的溫度法規(guī)和外觀設(shè)計的要求。