基于STAR-CCM+的通機(jī)整機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬

譚禮斌，袁越錦

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

通機(jī)，全稱為通用發(fā)動(dòng)機(jī)（general purpose engine），通常指用于車輛及其他特種設(shè)備以外的通用發(fā)動(dòng)機(jī)[1]。通機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包含發(fā)動(dòng)機(jī)主體部件（缸頭、缸頭蓋、曲軸箱體等）、進(jìn)排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及其附件等。設(shè)計(jì)人員在對(duì)通機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，節(jié)約成本的同時(shí)，往往忽略了整機(jī)散熱的問題。通機(jī)運(yùn)行過程中機(jī)組散熱性能的好壞直接影響整機(jī)運(yùn)行的功率及運(yùn)行狀況。目前，隨著高性能計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和數(shù)值計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）的廣泛應(yīng)用，工程機(jī)械設(shè)計(jì)與開發(fā)領(lǐng)域已普遍采用基于虛擬仿真與開發(fā)集成的產(chǎn)品開發(fā)體系[2?4]。目前，常用的流體分析軟件包括ANSYS CFD、COMSOL Multiphysics、Sc/Tetra、STAR-CCM+等。其 中，STAR-CCM+軟件因其高度集成性及其獨(dú)特的網(wǎng)格生成技術(shù)在汽車、船舶、工程機(jī)械等領(lǐng)域備受青睞[5?7]。采用流體仿真軟件對(duì)通機(jī)整機(jī)流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析及優(yōu)化評(píng)估，可快速獲取細(xì)節(jié)的流場(chǎng)信息，針對(duì)流動(dòng)較差區(qū)域可針對(duì)性地提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案并進(jìn)行分析評(píng)估，為產(chǎn)品性能的提升改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)。

通機(jī)整機(jī)樣機(jī)模型或多或少存在風(fēng)量分布不均的問題，需要通過流場(chǎng)分析及不同結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的驗(yàn)算來確定結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，以達(dá)到最佳冷卻效果。在進(jìn)行通機(jī)整機(jī)模型設(shè)計(jì)過程中，冷卻風(fēng)道大小的匹配及風(fēng)扇罩內(nèi)部分風(fēng)擋板設(shè)計(jì)的合理性往往決定著整個(gè)終端產(chǎn)品的散熱性能。然而，常規(guī)方法都是通過快速成型樣件或3D 打印的方法進(jìn)行試驗(yàn)樣件制作，通過多次試驗(yàn)來尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)，這樣靠經(jīng)驗(yàn)及試錯(cuò)的方法往往會(huì)造成產(chǎn)品開發(fā)周期的延長(zhǎng)。因此，急需相關(guān)虛擬仿真模擬技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)前期提前介入，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供技術(shù)性指導(dǎo)。針對(duì)該問題，本文基于CFD基礎(chǔ)理論，采用STAR-CCM+11.06 軟件對(duì)某通機(jī)整機(jī)流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)改動(dòng)方案下流場(chǎng)特性進(jìn)行對(duì)比分析，獲得風(fēng)量分布及流場(chǎng)特性較優(yōu)的結(jié)構(gòu)改動(dòng)方案，為后續(xù)通機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)等提供分析支撐和理論依據(jù)。

1 物理模型

某通機(jī)三維模型如圖1 所示。整機(jī)三維模型的幾何清理、幾何部件歸類及命名、外流場(chǎng)虛擬計(jì)算域設(shè)置、網(wǎng)格劃分、邊界設(shè)置及求解與后處理等工作都在STAR-CCM+11.06 軟件中完成。圖2 所示為通機(jī)整機(jī)外流場(chǎng)計(jì)算域模型示意圖。該通機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試環(huán)境溫度為28 ℃，運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為3 600 r/min。為了研究風(fēng)扇罩開孔、箱體底部開孔、風(fēng)扇罩內(nèi)側(cè)擋板及位置等因素對(duì)整機(jī)流場(chǎng)特性的影響，對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了6 種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的設(shè)計(jì)，具體如圖3 所示。方案 1 是增大風(fēng)扇罩開孔面積，將初始的風(fēng)扇罩進(jìn)風(fēng)口由條形孔形狀更改為長(zhǎng)方形狀（圖3（b）中紅色圈出部位），開孔面積由2 000 mm2增加為2 300 mm2，研究進(jìn)風(fēng)口面積對(duì)總風(fēng)量影響。整機(jī)風(fēng)扇罩內(nèi)側(cè)擋板分為左部分擋板、中間擋板和右部分擋板。方案 2 是去掉風(fēng)扇罩內(nèi)側(cè)的起分流作用的中間小擋板，研究分風(fēng)擋板對(duì)整機(jī)風(fēng)量分配的影響。方案 3是加大曲軸箱底部的風(fēng)道孔，由原來開孔面積240 mm2增加為320 mm2，以增加曲軸箱底部風(fēng)量，并查看其他風(fēng)道風(fēng)量分布。為研究擋板位置的影響，在方案 3 的基礎(chǔ)上對(duì)風(fēng)扇罩內(nèi)側(cè)左部分擋板左移5 mm 形成方案4，右部分擋板上移5 mm 形成方案 5，左部分擋板左移5 mm 和右部分擋板上移5 mm 形成方案6，從而查看不同擋板位置結(jié)構(gòu)下風(fēng)量分配的變化（擋板位置左移、右移過程中為擋板間的銜接做了相應(yīng)的過渡處理）。對(duì)6 種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的對(duì)比分析，可以掌握風(fēng)扇開孔面積及分風(fēng)板的設(shè)計(jì)規(guī)律，為后續(xù)整機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論支撐。為了實(shí)現(xiàn)后續(xù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)道風(fēng)量數(shù)據(jù)的提取，須進(jìn)行監(jiān)測(cè)面的創(chuàng)建。圖4示出發(fā)動(dòng)機(jī)主體各冷卻風(fēng)道的截面示意圖。

圖1 整機(jī)三維模型圖

圖2 整機(jī)外流場(chǎng)計(jì)算模型

圖3 整機(jī)結(jié)構(gòu)改動(dòng)方案示意圖

圖4 冷卻風(fēng)道截面示意圖

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

通機(jī)整機(jī)外流場(chǎng)數(shù)值模擬只分析內(nèi)部流場(chǎng)特性，不考慮溫度場(chǎng)。因此，數(shù)值求解過程僅需要求解流體連續(xù)性方程和動(dòng)量方程[8?9]。計(jì)算中湍流模型選擇為k-ε兩方程湍流模型[10?11]。本文假設(shè)氣流流動(dòng)狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，流體介質(zhì)為不可壓縮流體，整個(gè)流動(dòng)過程不考慮熱量交換，因此相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型方程如下。

1）連續(xù)性方程為

式中：ui是平均速度分量，m/s；xi為坐標(biāo)分量，m。

2）動(dòng)量方程（N-S 方程）為

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。

3）k-ε湍流模型方程為

式中：Gk為 速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；YM為脈動(dòng)擴(kuò)張項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk、σε分別為與湍動(dòng)能k和耗散率相對(duì)應(yīng)的Prandtl 數(shù)；Sk和Sε為用戶自定義的源項(xiàng)。

通機(jī)流場(chǎng)特性數(shù)值模擬采用穩(wěn)態(tài)求解，壁面函數(shù)選取STAR-CCM+11.06 軟件中推薦的Two-Layer All y+Wall Treatment。采用多面體網(wǎng)格技術(shù)和邊界層網(wǎng)格技術(shù)（5 層邊界層）對(duì)通機(jī)整機(jī)外流場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)風(fēng)扇區(qū)域、冷卻風(fēng)道、散熱片及小間隙區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密并利用已建立的無關(guān)性網(wǎng)格控制策略對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理[1]。完成后的通機(jī)整機(jī)流場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)量約為900 萬。計(jì)算求解所需的相關(guān)邊界條件設(shè)置如下。

1)旋轉(zhuǎn)域。圖5 為風(fēng)扇葉輪示意圖，圖中標(biāo)明了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，依據(jù)“右手定則”判定風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，軸坐標(biāo)為（0.0，?1）。采用MRF（moving reference frame）方法實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為3 600 r/min。

圖5 風(fēng)扇葉輪

2)流體域。消聲器入口流量為8 g/s (質(zhì)量流量入口）；空濾器出口流量為8 g/s；虛擬計(jì)算域入口邊界為滯止入口（stagnation inlet），出口邊界為壓力出口（pressure outlet）；實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境溫度為28 ℃；流體屬性選擇為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣，定壓比熱容為1003.62 J/kg·K，導(dǎo)熱系數(shù)為0.027 W/m·K，動(dòng)力黏度為1.85×10?5Pa·s。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 風(fēng)量分布分析

圖6 示出不同通機(jī)結(jié)構(gòu)下各冷卻風(fēng)道截面風(fēng)量分布結(jié)果。從圖可以看出，從風(fēng)道風(fēng)量分布來看，方案1 幾乎與原始方案的風(fēng)量分布基本一致；方案2 的風(fēng)道風(fēng)量分布略比原始方案的風(fēng)量分布略差；方案3、4、5、6 的箱體底部風(fēng)量都略有提升，其原因是方案3—6 的箱體底部相比原始結(jié)構(gòu)增加了風(fēng)道流經(jīng)面積，從而流過該區(qū)域的風(fēng)量增多。

圖6 冷卻風(fēng)道風(fēng)量對(duì)比圖

圖7 示出不同通機(jī)結(jié)構(gòu)下風(fēng)扇入口截面的風(fēng)量分布及各冷卻風(fēng)道風(fēng)量總和的分布。從圖可以看出：在風(fēng)扇罩上開孔后的方案1 的風(fēng)量、與去掉風(fēng)扇罩內(nèi)側(cè)擋板方案2 的風(fēng)量分布基本一致，且與原始結(jié)構(gòu)相比，風(fēng)量并未提升，風(fēng)量與原始結(jié)構(gòu)基本一致；在方案3—6 中，對(duì)箱體底部風(fēng)道孔加大、風(fēng)扇罩內(nèi)側(cè)擋板位置進(jìn)行改進(jìn)，風(fēng)扇入口總風(fēng)量、冷卻風(fēng)道風(fēng)量總和都比原始結(jié)構(gòu)的風(fēng)量略有提升。其中：方案5 的排氣管上側(cè)冷卻風(fēng)道風(fēng)量較大，有利于排氣高溫區(qū)域的冷卻；方案5 的總體風(fēng)量提升最為明顯，方案5 風(fēng)扇入口總風(fēng)量為73.88 g/s，原始結(jié)構(gòu)為69.56 g/s，提升約6%。由此可以看出，風(fēng)扇罩內(nèi)部分風(fēng)擋板所處的位置及其結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)（火花塞側(cè)、挺柱側(cè)）的風(fēng)量分配具有顯著的影響，應(yīng)根據(jù)風(fēng)量分配進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。方案3—6 各冷卻風(fēng)道風(fēng)量總和值差異較小。

圖7 風(fēng)扇入口及風(fēng)道風(fēng)量對(duì)比圖

圖8 示出原始方案及方案5 各風(fēng)道速度對(duì)比。從圖中可以看出：方案5 的排氣管側(cè)的風(fēng)道速度分布更為均勻，有利于此處區(qū)域的散熱；缸頭中間風(fēng)道的速度較原方案提升明顯；火花塞側(cè)及挺柱側(cè)風(fēng)道風(fēng)量分布更為均勻。總體上來看，方案5 風(fēng)量分布較好。

圖8 原始方案及方案5 各風(fēng)道速度分布對(duì)比

圖9 示出重要冷卻風(fēng)道風(fēng)量（火花塞側(cè)、排氣管上側(cè)、缸頭中間、曲軸箱底部風(fēng)量）占風(fēng)量總和的比值。從圖中可以看出：方案2 風(fēng)量占比最大；方案5 風(fēng)量占比與方案2 風(fēng)量占比相差不大；都比原始結(jié)構(gòu)風(fēng)量占比高。綜合風(fēng)扇入口總風(fēng)量、各冷卻風(fēng)道分布及重要冷卻風(fēng)道風(fēng)量占比來看，方案5 在箱體底部、缸頭中間及排氣道附近的綜合效果略好，風(fēng)量最優(yōu)。該方案的相關(guān)分析結(jié)果可作為通機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的理論指導(dǎo)。

圖9 冷卻風(fēng)道風(fēng)量占風(fēng)道風(fēng)量總和的比值

3.2 流場(chǎng)分布分析

圖10 示出該通機(jī)原始結(jié)構(gòu)下發(fā)動(dòng)機(jī)表面速度分布云圖及風(fēng)道截面速度矢量圖。從圖中可以看出，高溫區(qū)火花塞側(cè)（包括排氣管、消聲器等）附近速度分布相對(duì)更大，有利于該區(qū)域的冷卻。從整機(jī)流場(chǎng)分布來看，流場(chǎng)分布比較均勻，不存在速度過度集中的區(qū)域。圖11 示出各方案下發(fā)動(dòng)機(jī)表面速度分布云圖。從圖中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)表面速度基本無差異，且與圖10 中原始結(jié)構(gòu)方案發(fā)動(dòng)機(jī)表面速度基本一致。圖12 示出發(fā)動(dòng)機(jī)表面平均速度。由圖可知，表面平均速度相差不大，驗(yàn)證了圖10 中整機(jī)流場(chǎng)特性基本一致的分布特征。

圖10 速度分布云圖

圖11 各方案發(fā)動(dòng)機(jī)表面速度分布圖

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)表面平均速度對(duì)比

圖13 示出方案5 的整機(jī)流線圖。從圖中可以看出：風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)作用從風(fēng)扇入口截面吸入風(fēng)量，通過風(fēng)扇罩的導(dǎo)風(fēng)及內(nèi)部分風(fēng)板的分風(fēng)作用，促使相應(yīng)的分量較均衡地流向發(fā)動(dòng)機(jī)挺柱側(cè)風(fēng)道和火花塞側(cè)風(fēng)道，對(duì)高溫部件進(jìn)行冷卻；流向發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管側(cè)的流線較多，且消聲器部件處也有較多流線經(jīng)過，表明高溫部件處的風(fēng)量分布較合理，可以得到較好的冷卻。圖14 為消聲器表面速度分布云圖。由圖可知，消聲器表面速度分布較為均勻，與圖13 中流線的流動(dòng)趨勢(shì)基本一致，這表明在方案5 下該整機(jī)的流場(chǎng)分布特性合理，有利于高溫區(qū)域的散熱。

圖13 整機(jī)流線圖（方案5）

圖14 消聲器表面速度分布云圖

4 結(jié)論

1)利用STAR-CCM+對(duì)某通機(jī)流場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究了風(fēng)扇罩開孔面積、箱體底部開孔面積及風(fēng)扇罩內(nèi)側(cè)擋板位置對(duì)風(fēng)量分布的影響。結(jié)果表明，不同通機(jī)結(jié)構(gòu)下，發(fā)動(dòng)機(jī)整體表面平均速度基本一致，高溫區(qū)火花塞側(cè)（包括排氣管、消聲器等）附近速度分布相對(duì)更大，有利于該區(qū)域的冷卻。

2)從整機(jī)流場(chǎng)分布來看，流場(chǎng)分布比較均勻，不存在速度過度集中的區(qū)域。對(duì)不同結(jié)構(gòu)下風(fēng)量分配的對(duì)比可知，通機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案5（在原始結(jié)構(gòu)上對(duì)箱體底部開孔面積增大，風(fēng)扇罩內(nèi)側(cè)擋板上移）的排氣管上側(cè)冷卻風(fēng)道風(fēng)量較大，有利于排氣高溫區(qū)域的冷卻；風(fēng)扇入口總體風(fēng)量提升最為明顯，相比原始結(jié)構(gòu)總風(fēng)量提升約6%。這表明風(fēng)扇罩內(nèi)部分風(fēng)擋板所處的位置及其結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)兩側(cè)（火花塞側(cè)、挺柱側(cè)）的風(fēng)量分配具有顯著的影響。結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案5 在箱體底部、缸頭中間及排氣道附近的綜合效果略好，且風(fēng)量最優(yōu)。該方案的相關(guān)分析結(jié)果可作為通機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的理論指導(dǎo)。

3)利用STAR-CCM+對(duì)整機(jī)進(jìn)行流場(chǎng)特性分析，具有較好的精度，可快速對(duì)樣機(jī)模型進(jìn)行風(fēng)量分布合理性的評(píng)估及散熱性能的初步判定，并依據(jù)流場(chǎng)分析結(jié)果可對(duì)不同結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)估及合理優(yōu)化，以提升整機(jī)的總體散熱性能。本文的研究結(jié)果可為整機(jī)冷卻風(fēng)道的設(shè)計(jì)及風(fēng)扇罩內(nèi)分風(fēng)擋板的合理設(shè)計(jì)提供理論參考。