柴油機(jī)氣缸蓋多場(chǎng)耦合分析及冷卻性能影響因素分析

賈延林，徐聰聰，劉 娜

（1.晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第711研究所，上海 201108；3.雷沃重工股份有限公司，山東 濰坊 261206）

缸蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形狀非常復(fù)雜，里面包括氣道、燃燒室、氣門、冷卻水套等功能部件的布置。工作過(guò)程中承受較大的高溫高壓燃?xì)庾饔昧?，也承受著較大的螺栓預(yù)緊力。隨著內(nèi)燃機(jī)向高功率密度發(fā)展，對(duì)缸蓋的結(jié)構(gòu)和性能有了更高的要求，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，溫度場(chǎng)分布嚴(yán)重不均勻，產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大。所以有必要對(duì)缸蓋進(jìn)行熱流固耦合應(yīng)力分析，進(jìn)而分析研究缸蓋冷卻性能的影響因素，為缸蓋設(shè)計(jì)提供參照。

1 熱流固耦合傳熱計(jì)算

1.1 耦合傳熱分析

熱流固耦合分析時(shí)，一種是采用分區(qū)求解邊界耦合的方法，一種是整體求解法，本文中采用的是整體離散、整場(chǎng)求解的方法。整體求解法是對(duì)熱-流區(qū)域建立起通用的控制方程，熱-流區(qū)域的控制方程僅在廣義擴(kuò)散系數(shù)、廣義源項(xiàng)等方面不同，耦合界面成了求解區(qū)域的內(nèi)部［1］。首先分析冷卻液與氣缸蓋之間的換熱過(guò)程，得到氣缸蓋的溫度場(chǎng)；然后通過(guò)表面效應(yīng)單元，實(shí)現(xiàn)熱流分析單元和結(jié)構(gòu)分析單元之間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而保證溫度場(chǎng)、燃?xì)鈮毫?、螺栓預(yù)緊力等應(yīng)力場(chǎng)的耦合求解。本文在分析時(shí)，選用標(biāo)準(zhǔn)-模擬湍流模型進(jìn)行求解。

1.2 有限元模型建立

本文以某V型12缸柴油機(jī)為例，缸體之間的水套采用并聯(lián)方式，而缸蓋水套為串聯(lián)式，冷卻液的流動(dòng)方向?yàn)椋哼M(jìn)水總管→各缸缸體水套→缸蓋水腔→出水總管，經(jīng)多次試算驗(yàn)證后，選取缸蓋的2個(gè)半缸和1個(gè)整缸為研究對(duì)象。為保證計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)間，對(duì)模型中較小的特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留了缸套、缸墊和氣門座圈，網(wǎng)格劃分時(shí)全部采用四面體網(wǎng)格，對(duì)缸蓋鼻梁區(qū)、火力面和耦合界面等重點(diǎn)研究位置進(jìn)行網(wǎng)格加密。缸蓋組合有限元模型共約60萬(wàn)單元數(shù)，冷卻液流場(chǎng)域約134萬(wàn)單元數(shù)。冷卻液形成的流體域與缸蓋組合的有限元模型如圖1所示，用于熱流固耦合分析時(shí)，缸蓋、螺栓等結(jié)構(gòu)件組合有限元模型如圖2所示。

圖1 流-固有限元模型

圖2 缸蓋組合有限元模型

1.3 材料物性參數(shù)

缸蓋材料為ZL702，力學(xué)性能平均值為σb：294.2 MPa；σs：3.38%；HB：117。冷卻液為45%的水和55%的乙二醇混合而成。所有材料的物性參數(shù)如下。

1） ZL702：密度2 700 kg／m3，比熱容958 J／kg.k，導(dǎo)熱系數(shù)128 W／m.k，熱脹系數(shù)18.6e-6 k-1，彈性模量0.7e5 MPa，泊松比0.35。

2）45%水和55%乙二醇：密度965.3 kg／m3，比熱容4 182 J／kg.k，導(dǎo)熱系數(shù)0.39 W／m.k，動(dòng)力粘度0.00 032 Pa.s。

3）缸墊、缸套和螺栓所選材料為合金鋼：密度7 800 kg／m3，彈性模量2.06e5 MPa，泊松比0.3，導(dǎo)熱系數(shù)43 W·m-1·k-1，熱脹系數(shù)11.3e-6 k-1。

1.4 邊界條件

在進(jìn)行流固耦合計(jì)算時(shí)，未考慮輻射的影響，主要考慮了缸蓋火力面、缸蓋進(jìn)排氣道及缸蓋表面區(qū)域的對(duì)流換熱。

流場(chǎng)分析時(shí)，入口條件設(shè)定為冷卻液的質(zhì)量流量，出口為壓力邊界條件。由于冷卻液從下方機(jī)體往上方缸蓋流動(dòng)，因此在計(jì)算時(shí)考慮了升浮力的影響。

缸蓋分別與缸墊、氣門座圈、緊固螺栓之間建立接觸關(guān)系，并在缸蓋和氣門座圈之間施加過(guò)盈量和摩擦系數(shù)。

對(duì)缸蓋進(jìn)行有限元分析時(shí)，承受的機(jī)械載荷主要考慮螺栓預(yù)緊力、火力面和氣門座圈所承受的爆發(fā)壓力。缸蓋的溫度場(chǎng)由流-固耦合分析得到，通過(guò)整體求解將其映射，進(jìn)而計(jì)算其耦合應(yīng)力分布。

1.5 計(jì)算結(jié)果分析

流固耦合結(jié)果分析如下。

圖3顯示的是耦合計(jì)算時(shí)的耦合邊界面的溫度分布圖，由于受排氣溫度的影響缸蓋排氣道承受著較高的熱負(fù)荷，最高溫度達(dá)471.2 K。

圖3 缸蓋水套內(nèi)表面溫度云圖

圖4 單缸速度矢量圖

氣缸體和氣缸蓋之間布置有5個(gè)上水孔，排氣道下部1個(gè)，火力面底部4個(gè)。從單缸速度矢量圖4中可以看出，在氣缸蓋排氣道出口區(qū)域，冷卻液流速較小僅為0.0051 m／s，且冷卻效果極差。缸蓋內(nèi)冷卻液自上而下流動(dòng)逐漸加快，冷卻液經(jīng)上水孔1和2流向缸蓋進(jìn)氣側(cè)；冷卻液通過(guò)水孔3、4和5流向排氣道的下壁面，其中一部分流向缸蓋排氣側(cè)并進(jìn)一步通向進(jìn)排氣道之間的鼻梁區(qū)，部分直接流向鼻梁區(qū)。一般重型車的柴油機(jī)上，上水孔的流速通常要在4.5 m／s左右，才能說(shuō)明冷卻液水腔設(shè)計(jì)合理［2］，從圖4中可以看出上水孔流速在4.0~5.3 m／s之間，說(shuō)明此氣缸蓋的冷卻液設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，較為合理。

從圖5可以看出缸蓋最高溫度場(chǎng)主要集中在火力面排氣道的鼻梁區(qū)，鼻梁區(qū)最高溫度值為564.9 K。這主要是在高溫燃?xì)夂透邷嘏艢庾饔孟?，使得其溫度升高?/p>

熱固耦合結(jié)果分析如圖6所示。

圖5 缸蓋溫度場(chǎng)云圖

圖6 熱固耦合結(jié)果分析

在熱流固耦合作用下，從圖6中可以看出應(yīng)力集中部位主要有：①螺栓孔周圍區(qū)域及其安裝沉孔部位，耦合應(yīng)力值高達(dá)135 MPa，這主要是由于螺栓預(yù)緊力造成的；②進(jìn)排氣側(cè)鼻梁區(qū)其最大主應(yīng)力值為132.5 MPa，這主要是由于缸蓋鼻梁區(qū)承受著較高的燃?xì)鉁囟群洼^大的氣體爆發(fā)壓力。綜合耦合應(yīng)力來(lái)看，缸蓋各部位應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的屈服極限值294.2 MPa，從耦合應(yīng)力方面考慮滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 應(yīng)力值的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

1.6 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

在發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)力測(cè)試中對(duì)缸蓋耦合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，使用應(yīng)變片對(duì)應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試，計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)。應(yīng)變片粘貼在缸蓋頂板的位置如圖7所示，取8個(gè)典型測(cè)點(diǎn)。應(yīng)力值的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表1，測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果誤差在15%以內(nèi)，認(rèn)為耦合應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果真實(shí)有效。

圖7 缸蓋頂板應(yīng)變片粘貼位置示意圖

2 缸蓋冷卻性能影響因素分析

2.1 冷卻液參數(shù)影響

入口流量和入口溫度的影響如圖8、圖9所示。

隨著冷卻液入口質(zhì)量流量的增長(zhǎng)，缸蓋火力面的最高溫度值和最大應(yīng)力值都減小，但一味地增大冷卻液的質(zhì)量流量對(duì)溫度的下降沒(méi)有太大的影響，反而會(huì)影響高溫區(qū)域范圍，同時(shí)對(duì)水泵的選擇要求也提高了。而提高冷卻液的入口溫度，缸蓋最高溫度值不斷上升，基本成線性增長(zhǎng)。然而在工程實(shí)踐中，增大冷卻液入口質(zhì)量流量會(huì)加大缸蓋的疲勞損壞，從而影響缸蓋的可靠性，為強(qiáng)化缸蓋，往往會(huì)采取控制冷卻液入口溫度值的方法［3］。

2.2 冷卻水套內(nèi)壁粗糙度的影響

從圖10可以看出，缸蓋最大溫度值小幅度地先增加后減小，最低溫度值基本不變。粗糙度主要是通過(guò)改變壁面附近的流動(dòng)狀態(tài)來(lái)影響流動(dòng)換熱的。究其原因主要是：粗糙度較小時(shí)，在水套壁面附近的流動(dòng)屬層流流動(dòng)；當(dāng)粗糙度較大時(shí)，在水套壁面附近容易形成漩渦區(qū)，反而增大熱阻削弱傳熱，冷卻液的流速越大，紊流越明顯。

圖8 質(zhì)量流量對(duì)缸蓋溫度的影響

圖9 入口溫度對(duì)缸蓋溫度的影響

圖10 粗糙度對(duì)缸蓋溫度的影響

3 結(jié)論

對(duì)缸蓋進(jìn)行熱流固耦合分析時(shí)，先進(jìn)行流固耦合得到缸蓋的溫度場(chǎng)，以此溫度場(chǎng)為載荷映射到缸蓋有限元模型上計(jì)算其熱變形，再結(jié)合螺栓預(yù)緊力和爆發(fā)壓力等機(jī)械載荷分析缸蓋的應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)合試驗(yàn)可以看出，此方法能夠得到較為準(zhǔn)確的應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。在此基礎(chǔ)上分析了缸蓋冷卻性能的影響因素和缸蓋在主要機(jī)械載荷變化時(shí)應(yīng)力場(chǎng)的變化情況，從分析結(jié)果可以看出以下幾點(diǎn)。

1）入口質(zhì)量流量在一定范圍內(nèi)變大，能夠顯著降低缸蓋的最高溫度，但質(zhì)量流量繼續(xù)增大時(shí)，冷卻效果變化不明顯。

2）入口溫度值的高低對(duì)缸蓋最大溫度影響效果較為明顯。

3）在大于層流層厚度范圍內(nèi)增大粗糙度，可降低缸蓋的最高溫度值，但效果不顯著。