活塞喷油冷却流场数值模拟
大型车辆发动机冷却风扇流场的数值仿真方法
大型车辆发动机冷却风扇流场的数值仿真方法概述：大型车辆的发动机通常通过冷却风扇来进行散热，以确保发动机的正常运行。
为了研究和优化大型车辆发动机的冷却风扇流场，数值仿真成为了一种高效、经济和可行的方法。
本文将介绍大型车辆发动机冷却风扇流场数值仿真的方法，包括数值模型建立、边界条件设定、网格划分、数值计算和结果分析等。
一、数值模型建立数值模型是数值仿真的基础，对于大型车辆发动机冷却风扇流场的数值仿真，需要建立几何模型和流动模型。
1.几何模型建立：根据实际发动机的几何形状和结构，利用计算机辅助设计（CAD）软件建立几何模型。
几何模型应包括发动机、冷却风扇和与之相应的散热系统等部件。
二、边界条件设定边界条件是数值仿真中非常重要的一步，对于大型车辆发动机冷却风扇流场的数值仿真，应根据实际情况设定合理的边界条件。
1.入口边界条件：根据实际的发动机进气情况，设定进口的气体温度、速度和压力等参数。
2.出口边界条件：考虑实际的发动机排气情况，设定出口的气体温度、速度和压力等参数。
3.壁面边界条件：根据实际的发动机结构和材料，设定发动机表面的壁面温度和热传递系数等参数。
三、网格划分网格划分是数值仿真的关键一步，对于大型车辆发动机冷却风扇流场的数值仿真，应根据几何模型的复杂性合理划分网格。
1.内部流场网格划分：根据发动机的几何形状和复杂性，划分合适的结构化或非结构化网格。
结构化网格适用于较简单的几何形状，而非结构化网格适用于较复杂的几何形状。
2.边界层网格划分：考虑到边界层的细节和重要性，应在发动机壁面附近划分较为精细的网格。
四、数值计算数值计算是数值仿真的核心步骤，对于大型车辆发动机冷却风扇流场的数值仿真，应对流动模型进行求解。
1.数值方法选择：根据实际问题的特点和要求，选择合适的数值方法。
通常可以选择有限体积法或有限元法进行数值计算。
2.边界条件处理：根据边界条件设定，对入口边界和壁面边界进行处理和修正。
3.数值求解器设定：根据实际情况，选择合适的数值求解器进行求解。
航空发动机燃烧室流场数值模拟与优化设计
航空发动机燃烧室流场数值模拟与优化设计随着航空业的迅速发展，航空发动机的设计和性能优化变得尤为重要。
燃烧室作为发动机的核心部件之一，对于燃烧效率和排放控制起着至关重要的作用。
在这个任务中，我们将探讨航空发动机燃烧室流场数值模拟与优化设计的方法和应用。
首先，数值模拟是研究航空发动机燃烧室流场的重要工具。
通过建立数学模型和方程组来描述和模拟流动现象，可以获得实验难以获取的详细信息，如速度分布、温度分布和压力分布等。
流场数值模拟主要包括流体动力学（CFD）和燃烧模拟两个方面。
在CFD模拟中，我们可以通过离散数量的方法对连续流动进行描述。
以Navier-Stokes方程为基础，结合边界条件和初始条件，使用数值方法进行求解，得到流动场的详细信息。
这些信息可以帮助我们理解燃烧室内的流动特性，并优化设计参数。
例如，通过调整燃烧室内壁面的形状和结构，可以改善气流的分布和速度，从而提高燃烧效率和减少气流不稳定性。
另一个重要的方面是燃烧模拟。
燃烧模拟是通过数学模型来描述燃烧过程，包括燃料喷射、燃烧反应和燃烧产物生成等。
通过燃烧模拟，我们可以预测燃烧室内的温度分布、燃烧效率和排放物生成情况。
这对于发动机的性能评估和排放控制非常重要。
通过优化设计燃烧室的结构和喷射系统，可以提高燃烧效率和降低排放物的产生。
在航空发动机燃烧室流场数值模拟与优化设计中，还有一些挑战和难点需要克服。
首先，模型的准确性和计算速度之间存在一个权衡。
使用更复杂的数学模型和方法可以提高准确性，但会增加计算的复杂性和时间。
其次，边界条件和初始条件的选择对于模拟结果也具有重要影响。
合理选择边界和初始条件可以更真实地模拟实际发动机的工作状态。
最后，优化设计参数的选择和调整也需要经验和专业知识的指导。
为了克服这些挑战，我们需要充分利用现有的计算机硬件和软件技术，提高计算能力和算法的效率。
同时，需要建立准确的实验验证模型，和发动机制造商、航空公司以及研究机构之间进行密切合作，共同推进燃烧室流场数值模拟与优化设计的研究。
活塞喷油冷却流场数值模拟
目前 主要 采用 有 限元 软件 进 行 活塞 温 度场 的计算 ， 因 而 如何 准 确 获 取活 塞 各个 面 的热 边 界 条件 ，是 活 塞温 度
元 的物 质 面通 量 时 ， 了提 高 精 度 ， 采用 欧 拉 隐式 方 案 为 应 计算 ， 即需要 当前 时 间 步 的体 积 分数 值 在 每 一个 时 间步 内标 准 的标 量 输送 方 程 为 每一 个 第 二相 的体 积分 数 迭 代 性地 求 解 。另 外 ， 对活 塞 喷 油 流场 的计算 ， 针 在计 算 中还
的 基 本 原 理 即 ： 棱 柱 形 （ 面 体 或 楔 形 ） 格 区 域 ， 态 在 六 网 动
却 通 道 的平 均 高 度 ， ｅ 雷诺 数 ， 为 流 动 粘 度 ， Ｒ为
为
壁 面粘 度 。根据 机 油 参 数 ， ｒ 普 朗特 数 ； 油 在 油 腔 内 Ｐ为 机
流 动 状 态 是 上 下 振荡 速 度 和 进 出 油 腔 速 度 综 合 的 效 果 ，
用具 有 冷 却通 道 的活 塞 喷油 冷 却 流 场 ，这 种 活塞 冷 却 效
果 较好 ， 因而在 大 型重 负 荷 柴 油机 中也 得 到较 多 的应 用 。 这 种活 塞 在 活塞 头 部设 置一 环 形通 道 ，冷 却 机 油通 常 不 充 满 通道 ， 机油 受 惯性 作用 在 通道 内高频 振荡 。由于机 油 与油 腔壁 面的相 对 速 度较 大 ， 易 形 成紊 流 ， 容 故冷 却 效 果
果 采 用 经 验 或试 验 公 式 的办 法 ，只 能获 取 有 限 的几 个 值
来 近 似 活塞各 个 表 面 的热边 界 条件 ， 与实 际情 况 不符 。本
文 通 过 对活 塞 喷油 冷 却过 程 进行 Ｃ Ｄ模 拟 ，获取 冷 却 机 Ｆ
基于Flow simulationt的燃油喷射系统的流场数值模拟分析
式中，u，自，w 表示的是流云微团在 x，y，z 三个方向的 分量；a 表示对流加速度。
对于式（4）可以分解为三个不同的方向。
（5）
（6）
（7） 式中，ax 表示 x 方向上的对流加速度，ay 表示 y 方向 上的对流加速度，az 表示 z 方向上的对流加速度。 2 几何模型的相关分析 2.1 节气门的几何模型的建立 电 喷 系统 ，由 传 感 器 、执 行 器 和 节 气 门 体 等 五 个 部 分 组成[3]。其中，节气门是用来控制进气管的进气量的装置。 节气门体总成设计总成分为：独立式、可以集成 ECU、集 成部分传感器等多种方案。节气门主要有十个不同的部分 组成，分别是节气门衬垫、节气门限位螺钉、螺钉孔护套、节 气门体、加热水管、螺钉、怠速控制阀和密封垫等[4]。（图 1） 2.2 几何模型的网格划分 CFD 分析是近现代流体力学与数字分析在计算机技 术 的 整 合 下 的 产 物 ， 主 要 有 Flow Simulation，Fluent 和 Flow3D 等软件组成。其中 Fluent 的参数和网格划分比较 复杂，相对而言 Flow Simulation 的网格划分比较简单。本 次分析就是采用 Flow Simulation 的自动网格划分功能进 行的网格划分，因为进气管道整体不涉及到相对体积特别
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内燃机与配件
图 1 节气门的几何模型
小或者特别大的情况，所以只需要进行流体和壳体之间结 合 面 的 网 格细 化 ，局 部 网 格 细 化 的 作 用 并 不 大 ，本 次 划 分 中也没有采用此种划分方式,为了分析更加精细开启了高 级网格细化的功能，其网格划分情况如图 2 所示。
感器用以感知负荷的大小和减速工况，然后将这个模拟信 号通过 A/D 转换器后传递给 ECU 后，控制发动机的怠速， 减速和加速状态。节气门的阀门的开度直接决定了壳体内 部的压力分布与速度，同时由于进气压力为大气压力不 变，所以开度的大小与设备的进气量的大小也成一定的比 例。对于节气门的分析主要是考虑其压力分布，速度分布， 壳体与阀门的受力情况，所以将总压的平均值，速度的平 均值和力作为本次分析的目标值。（表 2）
车用发动机机油冷却器流动的数值模拟研究
・模拟技术・车用发动机机油冷却器流动的数值模拟研究秦 萌,陈江平,陈芝久(上海交通大学制冷与低温工程研究所,上海 200030) 摘要: 应用FLU EN T 软件对车用叉流板翅式机油冷却器两侧流体的流动进行了数值模拟,紊流模型采用标准的K 2ε湍流模型,翅片侧采用多孔介质模型进行简化。
结果表明,油侧的流量分配比较均匀,而水侧很不均匀,为叉流板翅式机油冷却器的设计改进指明了方向。
关键词:板翅式机油冷却器;流场;数值模拟中图分类号:T K41119 文献标识码:A 文章编号:1001-2222(2004)03-0023-03 机油冷却器的作用就是降低机油的温度,使其保持在合适范围内,从而大幅度提高发动机的性能和寿命。
目前机油冷却器广泛采用的是板翅式换热器,它是一种高效率换热器,具有结构紧凑、轻巧及传热效率高的特点,与管壳式换热器相比,其传热效率可提高20%～30%,成本可降低50%[1]。
但由于板翅式机油冷却器内流体流动与传热规律十分复杂,通过实验得出的经验关联式有较大的局限性。
近年来国内外的很多学者提出通过“数值试验”———计算流体力学(CFD )来模拟计算、评价、选择和优化设计方案,从而大幅度地减少实验室和实体试验的研究工作量。
本文利用CFD 手段,模拟板翅式机油冷却器两侧流体的流动,了解影响换热器性能的主要矛盾,以期对产品的设计改进提供方向。
1 数学模型及参数设定板翅式机油冷却器的性能除受结构本身的影响外,流体流动的不均匀性对其总体性能影响显著。
本文将两侧流体同时纳入计算区域,两侧流体均采用K 2ε湍流模型[2]。
翅片区域简化为多孔介质,用在其标准流动方程上附加动量源项的方法处理该区域中的流动阻力[3],此源项由黏性阻力项和惯性阻力项两部分组成,可表示为:S i∑3j =1D ijμv j +∑3j =1C ij12ρ|v j |v j ,式中,S i 为动量方程中应附加的源项;μ为黏性系数;v 为速度矢量;D ,C 为黏性和惯性阻力系数矩阵,其值根据试验数据通过最小二乘拟合得出。
燃油多喷射发动机冷启动性能数值模拟与优化
燃油多喷射发动机冷启动性能数值模拟与优化随着技术的不断发展，汽车发动机也在不断的更新换代，越来越多的汽车开始采用燃油多喷射技术。
燃油多喷射技术的出现，不仅提高了汽车的性能，还对汽车的燃油经济性和排放水平产生了积极影响。
然而，在冷启动过程中，燃油多喷射发动机会出现一系列问题，如启动时间长、油耗增加、排放产生骤升等。
因此，如何优化燃油多喷射发动机的冷启动性能已经成为汽车工业研究的一个热点问题。
燃油多喷射技术的优势在于可以让发动机始终处于最优工作状态，而非整个发动机周期使用一个固定的燃油供应量。
在冷启动时，发动机内部温度低，气缸壁和活塞环会出现结霜，导致机油粘度增加，燃油雾化不良等现象，使得发动机的启动时间较长，排放产生骤升等问题。
为了解决这些问题，需要对冷启动过程进行数值模拟和优化。
数值模拟与优化是优化冷启动性能的重要手段之一。
数值模拟是指利用计算机模型和计算方法，对汽车发动机工作状态和性能进行预测和研究。
通过数值模拟，可以减少试验次数和试验成本，提高研发效率。
优化是指在数值模拟的基础上，通过合理设计和优化参数，以达到优秀的性能指标。
燃油多喷射发动机冷启动性能数值模拟需要考虑的因素很多，主要分为以下几个方面：1.气缸结构优化气缸结构主要包括气缸直径、缸壁结构和材料、气门设计等方面。
在优化气缸结构时，需要考虑气缸直径与缸壁厚度的比值，设计合理的缸壁结构和材料，同时考虑气门的设计和优化。
优化后的气缸结构能够更好地避免结霜等现象，提高燃油雾化效果，进而提升冷启动性能。
2.燃油供应系统优化燃油供应系统主要包括油泵、燃油供应管路、喷油器等方面。
在冷启动时，为了满足燃油供应需求，需要加大燃油的供给量和压力，优化燃油喷射的方式，在喷油前充分雾化燃油。
通过优化燃油供应系统，可以满足发动机冷启动时的燃油需求，降低油耗和排放产生的骤升。
3.点火系统优化点火系统主要包括火花塞、点火线圈等方面。
在冷启动时，需要加大点火能量，使得点火强度更大，提高点火成功率。
发动机燃油喷射器流场建模与优化设计
发动机燃油喷射器流场建模与优化设计发动机燃油喷射器是现代内燃机中最关键的元件之一，其性能对发动机的功率、燃油效率和排放等方面都会产生巨大的影响。
对于现代高性能发动机来说，燃油喷射器的精度和稳定性愈发重要。
为了提升燃油喷射器性能，科学家们开展了众多的基础和应用研究，其中流场建模和优化设计是其中重要的一环。
发动机燃油喷射器流场建模发动机燃油喷射器是一种薄壁壳体，内部有一系列的孔口，决定了其喷油性能。
在设计喷油器前，需要对喷口和内部孔道进行一定的流场计算和模拟，以理解内部喷油过程。
常见的燃油喷射器流场计算方法包括有限元分析、数值模拟和经验公式等。
其中，数值模拟方法在流场建模方面表现较好，已经成为流场计算的主要方法。
其中最常用的模拟方法是计算流体力学(CFD)方法，也是基于质量守恒和动量守恒定律来进行喷洒分析。
采用CFD模拟方法需求分两步进行：建模和求解。
关于建模来说，模型的准确性和真实性是非常关键的。
参数选择、提取边界条件、全场网格划分和模型验证等步骤都非常重要。
建成的模型之后，就是求解模型了。
在求解模型之前，我们还需要处理一下误差和不确定性方面的问题。
发动机燃油喷射器改进优化设计对于发动机燃油喷射器，提升其稳定性、精度和流量稳定性等方面都是研究重点。
针对这些问题，通常采取的方法是优化设计。
在进行优化设计时，我们可以通过对不同因素进行实验和模拟，然后通过多属性加权和优化算法来设计燃油喷射器。
这里我们重点对不同优化算法的特点进行讨论，以下是几种经常使用的优化算法：1.遗传算法(Genetic Algorithm)：遗传算法是自然选择和自然遗传的数学模型，通过不断地迭代进化，将最优解或近似最优解逐渐提升。
遗传算法在优化多目标多约束问题方面非常有效。
2.模拟退火(Simulated Annealing)：模拟退火算法是优化算法中的一种启发式算法，通过对解的随机搜索，以随机概率接受次优解的方式提高搜索的效率。
旋转状态下姿态控制发动机喷流流场的数值模拟
Ｔｈ ｅ ｌ ｗ Ｆ ｅｄ Ｓ ｍｕ ａ ｉ ｎ ｆａ Ｒｏ ａ ｉ ｇ Ａｔｉｕ ｅ Ｃｏ ｔ ｏ ｏ ｏ ｅＪ ｔＦ ｏ ｉｌ ｉ ｌ ｔ ｓｏ ｔ ｔｎ ｔｔ ｄ ｎ ｒ ｌＭ ｔ ｒ ｏ
Ｗ ＡＮＧ Ｙｕ ｆ ｎ —ａ ｇ ，ＹＡＮＧ ｈ ． ｉ ｇ Ｓ ｕｘｎ
一
定程度 上增 加 了燃气 消耗量 。
关 键词 ：流体 力学 ； 态控 制发 动机 ；喷 流流场 ；旋转 ； ｖｅ—ｔｋｓ方程 ；数值 模 拟 姿 Ｎａｉ Ｓｏｅ ｒ 中图分 类号 ： ３ Ｖ４５ 文献 标志码 ： Ａ 文章编 号 ：１０—０３ ２０ ）５０４ ５ ０ ０１９ （０６ ０—９ ８０
Ｒｅ ａ ｌ ａ ｅ ａ ｅ ｖ ｅ — ｔ ｋ ｓｅ ｕ ｔ ｎ ｗａ ｍｐ ｏ ｅ ｏ ｉ ｅ ｔ ｏ ｎ ｗｌｄ ｅｏ ｃ ａ ｉｓ ｎ ｕ ｔ ｖ ｒ ｇ ｄ Ｎａ ｉｒＳ ｏ ｅ ｑ ａ ｉ ｓ ｅ ｌｙ ｄ ｃ ｍｂ ｎ ｄ ｗｉ ｓ ｍｅ ｋ ｏ ｅ ｇ ｆｍｅ ｈ ｎ ｃ ， ｏ ｈ ａ ｄ ｔ ｅ ｉ ｐ ｅ ｓｍｕ ａ ｉｎ ｅ ａ ｌ ｗａ ｉｅ ， ｗｈ ｃ ｌ ｗ—ｉｌ ｔｕ ｔ ｒ ｓ ｃ ｎ ｅ ｇ ｄ ｅ ｓ ｒ ａ ｄ ｎ ｈ ｎ ａ ｓ ｍ ｌ ｉ ｌｔ ｘ ｍｐ ｅ ｏ ｓｇｖ ｎ ｉｈ ｆ ｏ ｆ ｄ ｓｒ ｃｕ ｅ ｉ ｏ ｖ ｒ ｅ ａ ｉ ｎ ｅ ｅ
２ Ｓ ｈｏ ｏ ｃ ａ ｏｉ Ｅ ｇｎｅｉ ，Ｂ ｉｎ ｓｔｔ ｏ ｅｈｏｏｙ ｅｉｇ１０ ８ ，Ｃ ｉａ ．ｃｏｌ ｆ Ｍｅｈ ｔ ｎ ｎ ｉ ｒ ｇ ｅｉ Ｉ ｔｕｅ ｆ ｃｎ ｌ ，Ｂ ｉｎ ０ ０ １ ｈｎ ） ｒ ｃ ｅ ｎ ｊｇ ｎ ｉ Ｔ ｇ ｊ
Ａ ｓｒ ｃ ：Ｉ ｒ ｅ ｏ ｓ ｌｔ ｈ ｅ ｌｗ ｉｌ ｆａ ｔ ｕ ｅｃ ｎ ｒ ｌ ｔ ｒｉ ｈ ａｅｏ ｏａｉｇ ｎ ｂ ｔａ ｔ ｎｏ ｄ ｒｔ ｉ ａ ｅｔ ｅｊｔｆ ｍｕ ｏ ｆｅ ｏ ｔｉ ｄ ｏ ｔｏ ｏ ｎ ｔ ｅｃ ｓ ｆｒ ｔｔ ，ａ ｄ ｄ ｔ ｍｏ ｎ
喷油器内部瞬态流动三维数值模拟
高压共轨喷油器内部瞬态流动三维数值模拟罗新浩 王谦（江苏大学能源与动力工程学院，镇江212013）摘要：喷油器的内部流动以及后续的喷雾特性直接影响了柴油机的排放和经济性能，对喷油嘴的内部流动进行三维瞬态数值模拟分析就显得更为重要。
利用计算流体力学软件STAR-CD 建立三维动态计算网格并进行模拟分析，得到了喷嘴内部的压力分布和喷孔出口的平均速度变化等信息。
计算结果可为缸内喷雾研究提供更真实的边界条件，以及对喷嘴结构参数的优化设计具有指导意义。
Abstract ：The investigation of the three-dimension transient flow characteristics inside the nozzle becomes more and more important because the flow status in the nozzle and fuel injection immediately influence the emission and economy performance of diesel engines.The three dimension dynamic model was performed by computational fluid dynamics software package STAR-CD.The results including pressure distributing and average velocity in the nozzle can provide more realistic boundary conditions for the spray model ，which are very useful for the optimum design of the nozzle structure parameters.关键词：高压共轨 柴油机 数值模拟 喷嘴 CFDKey words ：High-pressure common-rail ，Diesel engine ，Numerical simulation ，Nozzle ，CFD1 前言燃油喷射系统对柴油机的动力性、经济性和排放性发挥着重要作用。
喷气发动机燃烧室设计及燃烧流场数值模拟
喷气发动机燃烧室设计及燃烧流场数值模拟喷气发动机作为目前飞行器上最常用、效率最高的动力装置之一，其燃烧室的设计和燃烧流场的控制对发动机的性能具有至关重要的影响。
因此，在发动机设计的过程中，喷气发动机燃烧室的设计及燃烧流场数值模拟成为了必不可少的重要部分。
首先，关于燃烧室设计，如何使燃料燃烧效率最高、燃烧温度最佳、燃烧产物最少是燃烧室设计的主要目标。
在设计燃烧室时，需要考虑到多个因素：燃料的种类、气体的流动、氧化剂的注入方式以及燃烧产物的排放等。
而对于燃料的种类而言，如何选择适合的燃料种类对于喷气发动机的性能有着重要作用。
其中，煤基燃料具有极高的内能，但噪音大、空气污染量高，因此一般不用于喷气发动机燃烧室中。
而石油基燃料能够提供相对良好的燃烧性能，并且不会产生过多的二氧化碳和氮氧化物等大气污染物，因此被广泛用于喷气发动机燃烧室的设计中。
除了燃料种类外，气体的流动也是燃烧室设计的关键因素之一。
为了保证气体的流动效率和燃烧效率，燃烧室中需要合理放置燃料喷嘴和氧化剂喷嘴，并且在燃烧室中设置辅助设施来控制气体的流动。
此外，要保证燃烧室内的燃烧温度和燃烧产物排放量，需要对燃料和氧化剂配比等因素进行严格的把控。
其次，关于燃烧流场数值模拟，燃烧流场能够直接影响喷气发动机的输出性能、工作效率和寿命等因素。
因此，在发动机燃烧系统建立之前，燃烧流场的数值模拟是必不可少的工作之一。
通过对数值模拟的结果进行分析和调整，可以有效地优化燃烧系统，提高发动机的工作效率和输出性能，从而达到延长发动机寿命的目的。
要实现燃烧流场的数值模拟，则需要运用一系列理论和数值计算方法，包括燃烧动力学理论、流体动力学理论和热力学理论等。
而对于数值计算方法而言，一般常用的方法有计算流体力学（CFD）方法、大涡模拟（LES）方法和欧拉-拉格朗日方法等。
这些方法各有优劣，不同的方法适用于不同的数值计算模拟场景，但综合来说，通过数值模拟可以有效的分析和观察燃烧流场的形态和性质，并且为设计最优化的喷气发动机提供了重要的参考依据。
喷雾冷却建模与仿真分析汇总
喷雾冷却建模与仿真分析
本文基于微流体和微传热学的机理,建立喷雾冷却的液膜流动和传热模型,用理论分析与推导的方式,研究喷雾冷却中液膜流动特性和换热特性。
采用分离变量法,从压力相容的角度,结合速度滑移、流场截断等边界条件,求解液膜流动的连续性方程和动量方程,得到流动速度的表达式、压力表达式以及液膜厚度及其边值的求解方程。
基于得到的速度场和压力场,运用分离变量法,结合温度跳变、对称性及进出口温度等边界条件,求解能量方程,得到液膜中温度和局部热流密度的计算表达式,并提出总散热量和平均换热系数的计算表达式。
用水作为冷却剂对液膜流场、温度场和局部热流密度进行仿真,结果表明:喷雾冷却中液膜流场基本合理;液膜厚度为几百个微米,与其他研究者的实验研究结果相近;温度场和局部热流密度也基本合理。
柴油机燃烧室流场模拟与优化设计
柴油机燃烧室流场模拟与优化设计一、引言柴油机作为一种常见的内燃机，广泛应用于汽车、发电机组等领域。
燃烧室是柴油机关键组成部分之一，直接影响其燃烧效率和排放性能。
为了提高柴油机的工作性能，研究人员不断努力，其中流场模拟和优化设计是重要的研究方向之一。
本文将针对柴油机燃烧室流场模拟和优化设计进行深入探讨。
二、柴油机燃烧室流场模拟1. 数值模拟方法在柴油机燃烧室流场模拟中，数值模拟方法是一种常用的研究手段。
通过建立数学模型和计算方法，可以模拟燃烧室内的流场和燃烧过程。
数值模拟方法的优势在于可以获得燃烧室内各参数的分布情况，以及对不同工况进行仿真分析。
2. 流场模拟参数在柴油机燃烧室流场模拟过程中，需要考虑的主要参数有进气流速、喷油量、缸内压力等。
这些参数直接影响燃烧室内的流场分布和燃烧过程。
通过调整这些参数，可以优化柴油机的工作性能，提高燃烧效率和降低排放。
三、柴油机燃烧室流场优化设计1. 流场优化设计目标柴油机燃烧室流场优化设计的目标是改善气体混合、减小燃烧不均匀性、降低湍流强度等，从而提高燃烧效率和降低排放。
为了达到这些目标，需要根据燃烧室特点和工况要求，结合流场模拟的结果进行优化设计。
2. 流场优化设计方法在柴油机燃烧室流场优化设计中，可以采用多种方法，如喷油系统优化、燃烧室形状改变等。
其中，喷油系统是影响燃烧室流场的重要因素之一，通过改变喷油量、喷油角度等参数可以优化燃烧室内的气体混合情况。
此外，通过改变燃烧室的形状、增加缸内增容等措施也可以改善流场分布和湍流强度。
四、柴油机燃烧室流场模拟与优化设计案例以XX柴油机为例，使用流体力学软件进行燃烧室流场模拟和优化设计的案例。
首先，通过数值模拟方法建立柴油机燃烧室的几何模型和计算域。
其次，设置燃烧室进气流速、喷油量等参数，并进行初始条件和边界条件的设定。
然后，进行流场模拟，获得燃烧室内的速度、压力等参数分布。
最后，根据模拟结果进行优化设计，通过改变喷油系统和燃烧室形状等方式，优化燃烧室流场分布，提高燃烧效率。
燃油喷射特性数值模拟与实验验证
４喷雾基本形态分析
图５是在喷油泵转速１０００ｒ·ｍｉｎ～，喷孔直径 ０．２４ｒａｍ，启喷压力１５ＭＰａ，背压为大气压时，燃油喷雾 发展历程的高速摄像图片和模拟计算结果的对比情 况，左边一组是摄影照片，右边一组是模拟计算图。
图５喷雾形态扩展图 从模拟计算结果来看，喷雾在形体和宏观尺寸上 与实拍照片基本吻合，可以验证模型建立的正确性，下 面将采用此模型对喷雾影响因素进行分析。
ｇａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｎｏｚｚｌｅ ｈｏｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐｒａｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｓｐｒａｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｐｒａｙ ｐｅｎｅｔｒａｔｅ ｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ
万方数据
第２期
王谦等：燃油喷射特性数值模拟与实验验证
４５
近结构喷嘴实验中观察到的结果比较图，可以看到，模 拟结果与实验有较好的一致性。
图２计算结果和实验图片的对比图
复杂几何形状喷管内外三维流场的数值模拟
复杂几何形状喷管内外三维流场的数值模拟摘要：本文研究了利用数值模拟来研究复杂几何形状喷管内外三维流场的研究。
我们利用一个特殊的不可压缩的流动模型来获取内外流场的属性，并利用三维数值模拟来提供相关结果。
结果表明，复杂几何形状喷管内外三维流场有利于增加流动湍流，从而使内部流场更加复杂。
关键词：复杂几何形状、喷管、流场、数值模拟正文：本文以复杂几何形状喷管内外三维流场为研究对象，利用数值模拟技术进行研究。
选用一个特殊的不可压缩性流动模型来定义内外流场的速度场和压力场，利用三维数值模拟的方法来求解流动问题。
研究了流场中不同的几何形状对流动特性的影响，如流动湍流、能量放大和压力分布等。
分析了喷管内外的流动特性，包括内部的局部混合情况，以及喷管内外壁面上的属性。
最后，总结了复杂几何形状喷管内外三维流场的规律。
复杂几何形状喷管内外三维流场的数值模拟可以用于众多工业领域，特别是催化剂、储油技术和流体动力学相关领域。
例如，可以用来模拟复杂几何形状喷管内外流场特性，为提高催化剂的催化效率提供有益的信息；对于储油技术而言，可以利用数值模拟技术来模拟三维流场特性，根据油地质特征和泄漏方式来预测不同油层的油量和渗透率；此外，流体动力学也可以应用此技术，例如模拟和分析涡轮增压器的流动质量和压力，以及辅助人们在流体发动机设计过程中精确优化流场特性。
另外，复杂几何形状喷管内外三维流场的数值模拟还可以应用于航空航天、医学诊断、重力潮汐和地质勘探领域。
因此，复杂几何形状喷管内外三维流场的数值模拟技术可以作为测试和优化各种工程问题的一种重要手段，这也为物理研究提供了很多有价值的信息，这些信息可以应用到工程实践中去，让我们能够利用有限的资源实现更高效的工程实现。
复杂几何形状喷管内外三维流场的数值模拟技术还可以应用于卫星微重力测量领域。
通过使用复杂几何形状的喷管，可以精确地模拟微重力场，更准确地预测重力影响范围等。
例如，可以模拟宇宙空间环境下太阳系物体之间的重力影响，以此来改善宇航轨道计算，增强宇航器的操纵性能。
缸内直喷汽油机工作过程的数值模拟
1.1 计算网格 利用AVL-FIRE的FAME Engine Plus模块生成从
进气门开到排气门开启时刻的六面体动网格。本文 计算过程是进气、压缩和做功冲程，没有计算排气 冲程。进气过程网格数70-127万，压缩做功过程网 格数在45万左右。计算网格如图2所示，其中左图为 进气冲程中下止点时刻，网格数为75.4万；右图为压 缩冲程中下止点后60 ºCA时刻，网格数为46.5万。
缸内流场的理想分布对混合气的形成和在燃烧 过程中对加速火焰传播速度、降低爆燃和循环变动 等都十分有利。
2.2 喷雾过程与混合气形成分析 喷雾过程是直喷汽油机工作过程的核心过程之 一，对燃油雾化、蒸发和混合气的形成以及燃烧过 程有至关重要的影响。在高速高负荷工况在进气行 程开始喷油，选用较大的喷油提前角。高转速时， 缸内的气流运动较为强烈，能加速缸内燃油液滴的
2.1 流动分析 汽油机缸内气体流动影响着火以及火焰传播速 度，进而影响发动机的动力性、经济性和排放性能。 通过分析进气过程和缸内流场的变化可以为汽油机 结构的优化提供依据。发动机缸内流场的合理分布 有利于促进缸内混合气的形成和火花塞附近混合气 的着火能力，有助于加快火焰传播速度，缩短燃烧 持续期。 文中的速度场均以速度矢量图表达。由于进排 气道及缸内各区域的气流运动速度大小相差很大， 为表达清晰起见，除局部放大图以外，其他速度矢 量图中的矢量长度均一化，而以颜色表达速度的大 小。
排气道
进气道
图3为通过气门轴线的纵截面截图（如图1中1所 指）从上到下依次为369ºCA（排气门未关）、370ºCA 和372ºCA时刻。369ºCA进气门升程0.17mm，排气门 升程0.11mm，此时刻进排气门升程较小，370ºCA排 气门关闭。在369ºCA时刻由于缸内压力比排气道压 力低，排气倒流，是该阶段决定缸内流场的主要因 素；而缸内压力比进气道压力大，由于压差的作用， 气体从缸内向进气道内倒流，气道内流速不高。随 着活塞下行，进气道压力逐渐高于缸内压力，从 372ºCA开始气流运动方向转为正常，从进气道向缸 内流动。
活塞振荡冷却的数值模拟计算及温度场分析
活塞振荡冷却的数值模拟计算及温度场分析吴倩文;张敬晨;庞铭;解志民;胡定云;胡玉平【摘要】利用CFD动态网格层变法建立了活塞振荡冷却的瞬态计算模型 ,并应用VOF模型对活塞的振荡冷却进行了瞬态数值模拟计算.分析了活塞在不同位置时油腔内冷却油的流动情况 ,得到了内冷油腔的机油填充率、壁面传热系数等随曲轴转角的变化规律.为验证其冷却效果 ,提取了内冷油腔壁面的换热边界 ,对活塞的温度场进行了有限元模拟计算 ,并与试验结果进行了对比 ,为活塞的优化设计提供了依据.%The heat transfer model of oscillating cooling was established by CFD dynamic mesh method and the transient nu-merical simulation of piston oscillating cooling was conducted with the volume of fluid (VOF)model .The flow conditions of cooling oil in the cooling gallery with different piston locations were analyzed and the variation laws of filling ratio and wall heat transfer coefficient with crankshaft angle were acquired .In order to verify the cooling effect ,the heat transfer boundary of in-ner cooling gallery wall was set up ,the finite element simulation of piston temperature field was conducted ,and the calculated results were compared with the test results .Accordingly ,the simulation provided the reference for piston optimization .【期刊名称】《车用发动机》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】6页(P54-59)【关键词】活塞;内冷油腔;振荡传热;温度场【作者】吴倩文;张敬晨;庞铭;解志民;胡定云;胡玉平【作者单位】山东大学能源与动力工程学院 ,山东济南 250061;山东大学能源与动力工程学院 ,山东济南 250061;中国北方发动机研究所(天津) ,天津 300400;中国北方发动机研究所(天津) ,天津 300400;中国北方发动机研究所(天津) ,天津 300400;山东大学能源与动力工程学院 ,山东济南 250061【正文语种】中文【中图分类】TK424.24随着内燃机功率密度的不断提升，活塞所承受的热负荷也越来越严重，对活塞进行冷却成为内燃机行业所关注的问题。
凹坑表面活塞与缸套挤压润滑油的流固耦合数值模拟
凹坑表面活塞与缸套挤压润滑油的流固耦合数值模拟AbstractThe objective of this study is to investigate the flow-solid coupling behavior of lubricating oil in the interface between the piston and cylinder liner in a reciprocating internal combustion engine. A numerical model was developed to simulate the fluid dynamics and solid mechanics of the system. The oil film formation process was captured through Reynolds equation with the consideration of surface roughness and deformation under the contact pressure. The deformation and stress distribution of the surface were calculated using the finite element method. The mesh model was established based on the actual geometry of the piston and cylinder liner with the identified roughness parameters. The boundary and initial conditions of the numerical model were determined according to the real working condition of the engine. The simulation results revealed that the oil film thickness and pressure distribution were heavily influenced by the roughness parameters, and the deformation and stress distribution of the surface showed a strong correlation with the lubrication state. The study provides insights into the flow-solid coupling behavior of lubricating oil in the engine and has a significant implication for engine design and optimization.IntroductionThe interface between the piston and cylinder liner is a critical area in reciprocating internal combustion engines, where the frictional and wear losses are concentrated. Lubricating oil plays a crucial role in reducing the friction and wear between the two surfaces.The formation of an oil film on the surface of the cylinder liner is essential for the effective lubrication of the engine. The oil film thickness and pressure distribution depend on the surface roughness of the piston and cylinder liner. The deformation and stress distribution of the surface also play a crucial role in determining the lubrication state. In recent years, several studies have been conducted on the flow-solid coupling behavior of lubricating oil in the engine. However, most of them focused on the macroscopic performance of the lubrication system, neglecting the micro- and nano-scale effects of the surface roughness and deformation. Therefore, a comprehensive understanding of the flow-solid coupling behavior of lubricating oil is still lacking.In this study, a numerical model was developed to investigate the flow-solid coupling behavior of lubricating oil in the interface between the piston and cylinder liner in a reciprocating internal combustion engine. The numerical model combined the fluid dynamics and solid mechanics of the system. The oil film formation process was captured through Reynolds equation with the consideration of surface roughness and deformation under the contact pressure. The deformation and stress distribution of the surface were calculated using the finite element method. The mesh model was established based on the actual geometry of the piston and cylinder liner with the identified roughness parameters. The boundary and initial conditions of the numerical model were determined according to the real working condition of the engine. The simulation results revealed that the oil film thickness and pressure distribution were heavily influenced by the roughness parameters, and the deformation and stress distribution of the surface showed a strong correlation with the lubrication state.MethodologyNumerical modelThe numerical model was established based on the fluid-solid coupling approach. The flow equation for the lubricating oil was based on the Reynolds equation. The solid mechanics of the system was calculated using the finite element method. The oil film thickness and pressure distribution were obtained through the coupled solution of the flow and solid mechanics equations. The deformation and stress distribution of the surface were also calculated using the finite element method. The numerical model was established using ANSYS Workbench.Mesh modelThe mesh model was established based on the actual geometry of the piston and cylinder liner. The roughness parameters of the surface were identified through surface measurement techniques such as atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM). The mesh model was established with the identified roughness parameters to ensure the accuracy of the simulation.Boundary and initial conditionsThe boundary and initial conditions of the numerical model were determined according to the real working condition of the engine. The inlet and outlet flow rates of the lubricating oil were setaccording to the engine speed and load. The initial oil film thickness was set to zero, and the initial pressure distribution was calculated based on the roughness parameters.Results and discussionThe simulation results revealed that the oil film thickness and pressure distribution were heavily influenced by the roughness parameters. The surface deformation and stress distribution also showed a significant correlation with the lubrication state. The roughness parameters, such as the root-mean-square (RMS) roughness and the skewness, had a substantial impact on the oil film thickness and pressure distribution. The surface deformation and stress distribution occurred mainly in the contact area between the piston and cylinder liner. The deformation and stress distribution showed a strong correlation with the oil film thickness and pressure distribution. When the oil film thickness was less than the surface roughness, the deformation and stress concentration of the surface were intensified, leading to the rapid wear and damage of the surface.ConclusionThe flow-solid coupling behavior of lubricating oil in the interface between the piston and cylinder liner in a reciprocating internal combustion engine was investigated in this study. A numerical model was developed to simulate the fluid dynamics and solid mechanics of the system. The simulation results revealed that the oil film thickness and pressure distribution were heavily influenced by the roughness parameters, and the deformation and stressdistribution of the surface showed a strong correlation with the lubrication state. The study provides insights into the flow-solid coupling behavior of lubricating oil in the engine and has a significant implication for engine design and optimization.The findings of this study highlight the importance of considering the flow-solid coupling behavior of lubricating oil in the piston-cylinder interface during engine design and optimization. The surface roughness and deformation play a critical role in determining the lubrication state and wear of the system. The results showed that the deformation and stress concentration were most severe when the oil film thickness was less than the surface roughness. Hence, minimizing the surface roughness and ensuring adequate oil film thickness are crucial in reducing wear and prolonging the lifespan of the engine.The numerical model developed in this study provides a valuable tool for predicting the performance of the lubrication system in internal combustion engines. It can be used to evaluate the effect of surface finish and oil properties on the oil film thickness and pressure distribution, thus leading to better engine designs in the future. Furthermore, the simulation results can also be used to optimize oil formulations and surface treatments to improve the engine's durability and efficiency.In conclusion, this study provides insight into the flow-solid coupling behavior of lubricating oil in the interface between the piston and cylinder liner in a reciprocating internal combustion engine. The study highlights the importance of considering the surface roughness and deformation in determining the lubrication state and wear of the system. The numerical model developed inthis study provides a valuable tool for predicting the performance of the lubrication system and optimizing engine design and efficiency.Apart from contributing to engine design and optimization, the findings of this study can also help in improving engine maintenance and reducing breakdowns. By understanding the behavior of lubricating oil in the piston-cylinder interface, maintenance teams can better diagnose tribological problems and take appropriate actions to prevent engine failures. For instance, by identifying areas of high stress concentration, maintenance teams can prioritize the inspection of those regions and implement surface treatments or coating to prevent damage.Moreover, the insights gained from this study could also help in developing new lubricants and lubrication technologies. The results showed that the properties of the lubricant, such as viscosity and shear stress, greatly influenced the oil film thickness and pressure distributions. This means that selecting the appropriate lubricant can greatly affect the engine's wear and lifespan. By understanding the flow-solid coupling behavior of lubricants, researchers can develop new formulations that are tailored to specific engine designs and operating conditions, leading to better engine performance, greater fuel efficiency, and reduced emissions. Finally, the findings of this study also have implications for industry standards and regulations. The insights gained from this study can help in revising existing standards and guidelines for engine design and testing. Additionally, by improving the understanding of lubrication behavior and wear mechanisms in engines, regulators and industry professionals can better evaluate the environmental impact of internal combustion engines anddevelop regulations to reduce their carbon footprint.In conclusion, this study highlights the importance of understanding the flow-solid coupling behavior of lubricating oil in the piston-cylinder interface for engine design, maintenance and lubrication technology development, and industry regulations. By improving our understanding of the underlying mechanisms, we can develop better approaches to enhance the performance and efficiency of internal combustion engines while minimizing their environmental impact.One potential application of the findings in this study is in the development of more precise and accurate simulation models for engine performance and wear prediction. The observed tribological behaviors can be integrated into simulations that can accurately predict oil film formation and pressure distribution under different working conditions. This can help engine manufacturers optimize the performance and lifespan of internal combustion engines, reducing the need for frequent maintenance and extending the service life of engines. Additionally, these models can be used to reduce the time and costs associated with physical testing and accelerate the engine design and development process.Another area where these findings could be beneficial is in the development of predictive maintenance systems for engines. By monitoring the oil flow and pressure distribution in the piston-cylinder interface, sensors could detect abnormal wear and lubrication behavior, alerting the maintenance teams to take appropriate actions. This would enable proactive maintenance, which can reduce the downtime and costs associated with reactive maintenance, where components are replaced or repaired only afterthey fail.Finally, the findings from this study have wider implications for the automotive industry, where electric vehicles are on the rise, and there is a growing demand for more sustainable and greener alternatives to internal combustion engines. By improving the efficiency and reducing the wear of internal combustion engines, we can help bridge the gap between traditional and modern powertrains, which can be essential in the transition towards more sustainable transportation models. Additionally, by improving the understanding of the lubrication behavior and wear mechanisms in engines, researchers and policy-makers can make informed decisions to reduce the emissions and carbon footprint of internal combustion engines, ultimately leading to a more sustainable future.Yes, that is correct. The findings from this study can be applied in many different areas, including engine design and development, predictive maintenance, and the transition towards more sustainable transportation solutions. By understanding the tribological behavior and lubrication mechanisms in engines, we can improve their efficiency and reduce wear, which can have a positive impact on the environment and contribute to the development of more sustainable transportation options.。
内燃机燃烧过程数值模拟与优化设计
内燃机燃烧过程数值模拟与优化设计近年来，随着科技的不断发展和计算机技术的日新月异，数值模拟成为了燃烧学领域中一项重要工具。
内燃机燃烧过程作为研究的重点，可以通过数值模拟来探索不同的设计方案，从而实现优化设计。
本文将介绍内燃机燃烧过程数值模拟的原理和方法，并探讨如何通过数值模拟来优化内燃机的设计。
一、内燃机燃烧过程的数值模拟方法1. 数值模拟原理内燃机燃烧过程的数值模拟是基于传热、传质和反应等物理过程的方程组。
通过求解这些方程组，可以得到燃烧过程中的各个参数和变量，如温度、压力、燃料浓度等。
数值模拟所采用的方法通常包括有限体积法、有限元法、边界元法等。
2. 求解方法在数值模拟中，对于上述物理方程的求解，有两种主要的方法，即拉格朗日方法和欧拉方法。
拉格朗日方法将流体粒子视为固定，通过追踪流体粒子的运动轨迹来求解方程。
欧拉方法则将流体控制体分成小区域，将物理方程应用于控制体上的平均值来求解方程。
3. 模型构建要进行数值模拟，首先需要构建合适的模型。
内燃机的数值模拟通常包括几个方面的模型，如气缸模型、喷油模型、燃烧模型等。
气缸模型用于描述气缸的几何形状和运动情况，喷油模型用于描述喷油器的工作原理和喷油过程，燃烧模型则用于描述燃烧过程的细节。
二、内燃机燃烧过程数值模拟的应用1. 性能优化通过数值模拟，可以对内燃机进行性能优化。
例如，可以通过模拟不同喷油策略对燃料燃烧速率、热效率、排放等性能指标进行优化。
此外，还可以通过对不同设计方案的模拟比较来确定最佳设计参数，如气缸几何形状、进、排气道形状等。
2. 目标研究数值模拟还可以用于研究特定的问题和机理。
例如，可以通过模拟燃烧过程来研究污染物生成机理，以及探索减少污染物生成的方法。
此外，还可以通过模拟燃烧过程中的流场来研究燃料喷射和混合过程，以及燃烧不稳定性和振荡等问题。
三、内燃机燃烧过程数值模拟优化设计的案例实际上，数值模拟在内燃机燃烧过程的优化设计中已经有了广泛的应用。
对汽车发动机冷却液温度场的数值模拟和优化
对汽车发动机冷却液温度场的数值模拟和优化汽车发动机是现代社会不可或缺的交通工具之一，而发动机温度过高会直接影响汽车的性能和寿命。
因此，在发动机的设计和维护上，冷却系统的性能是非常重要的。
冷却系统的功能是通过循环流动的水或其他冷却液来吸收发动机产生的热量，然后通过散热器将热量散发到外部环境。
而冷却液的温度场分布对冷却系统的性能起着至关重要的作用。
因此，利用数值模拟的方法来分析和优化冷却液的温度场分布已成为汽车工程领域必不可少的一个研究方向。
数值模拟是一种通过计算机模拟现实物理现象的方法。
在汽车工程领域，数值模拟广泛应用于发动机燃烧过程、气流流场、冷却系统等方面的分析和优化。
其优点是可以降低实验成本，减少试验周期，同时也能够在短时间内得到大量数据和优化结果。
发动机冷却液的数值模拟通常需要建立三维计算模型，然后根据流体动力学理论对其进行数值模拟。
数值模拟过程中，需要考虑的因素包括冷却液的流量、流速、温度以及发动机工作条件等。
通过计算机进行非定常流动和分析，得出冷却液的温度场分布以及可能存在的热点除去。
众所周知，冷却液在循环过程中，同样也会存在一些稳态和非稳态的现象。
这时，仅靠数值模拟还无法完全解决问题。
因此，在进行冷却液温度场的数值模拟之前，还需要先进行实验验证，以确保模拟结果的可靠性和准确性。
冷却液的温度场分布对于发动机性能和寿命的影响应该是所有汽车制造商和维修机构关注的重要问题。
而数值模拟则是一种非常有效的工具，可以帮助我们更好地记录和优化冷却系统。
因此，在未来的发动机设计和维护中，数值模拟将越来越普遍，成为汽车工程领域必不可少的工具之一。
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ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ｔｈｅ ｄｉｅｓｅｌ ｅｎｇｉｎｅ．Ｆｏｒ ｐｉｓｔｏｎｓ ｕｎｄｅｒ ｈｉｇＩｌｅｒ ｔｈｅｒｍａｌ ｌｏａｄｉｎｇ，
ｔｈｅ ａｄｏｐｔｉｏｎ ０ｆ ａ ｃｏｏｌｉｎｇ驴Ｕｅｆｙ ｉｓ ａ ｅｎｍｉｎｏｎ ｃｈｏｉｃｅ ｔｏ ｌｉｍｉｔ ｔｈｅ ｔｈｅｉｒ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ｕｓｉｎｇ ＣＦＤ ｔｏｏｌ ｔｏ ｇｃｔ ｔｈｅ ｃｏｅｉｔｌｃｉｅｎｔ ０ｆ ｈｅａｔ协ｍ甜ｅｒ ｆｏｒ
№为冷却通道内机油当地速度对应的雷诺数。
（２）对于活塞底部热边界条件的确定，通常采用由喷 溅冷却获取的放热系数公式确定【·】：
ｏｒ＝２２２６０Ｇ。ｔ：弼Ｊ／ｍ２ Ｋ
式中：Ｇｏ为通过喷嘴喷向活塞底的油量‰为冷却侧 活塞表面的平均温度。
活塞冷却通道壁面及下表面的对流换热系数分布与 冷却机油的流场及曲轴转角有关，分布是极不均匀的。如
【２】谭建松。俞小莉．高强化发动机活塞冷却方式仿真，兵工学报 【Ｊ】，２００６，ｌ：９７－１００．
【３】吕彩琴，苏铁熊．活塞冷却油腔位置对活塞强度的影响【Ｊ】， 内燃机。２００９。２：４—９．
【４】丁铁新，白敏丽．用耦合分析法解决内燃机活塞传热问题 【Ｊ】，小型内燃机与摩托车，２００４，５：８－１１．
关键词：活塞冷却油腔热负荷流动模拟
随着内燃机高速化、增压化的发展趋势，活塞热负荷 也在不断的加重。活塞热负荷和热强度问题的解决是提 高整机技术水平的关键，直接影响内燃机的耐久性及可 靠性。如何降低活塞热负荷已成为内燃机行业追求高的 可靠性过程中所要重视的问题之一。目前，降低活塞热负 荷最有效的办法就是对活塞进行喷油冷却。本文研究采 用具有冷却通道的活塞喷油冷却流场，这种活塞冷却效 果较好，因而在大型重负荷柴油机中也得到较多的应用。 这种活塞在活塞头部设置一环形通道，冷却机油通常不 充满通道，机油受惯性作用在通道内高频振荡。由于机油 与油腔壁面的相对速度较大，容易形成紊流，故冷却效果 好。
目前主要采用有限元软件进行活塞温度场的计算，因 而如何准确获取活塞各个面的热边界条件，是活塞温度 场计算的关键问题。目前，获取活塞各个面的热面界条 件，通常采用如下方法：
（１）活塞冷却通道（环形通道１壁面热边界条件主要采 用第三类热边界条件川－【３Ｊ，冷却通道壁面的强制对流换热 系数参照经验公式获取１２】：
曲轴转角（ｄｅｇ） 圉２冷却通道进出口机油流量及活塞速度
图２为一个循环内各个曲轴转角下，冷却通道进出口 截面机油流量变化曲线。因为在计算时，假定机油是不可
万方数据
图４对流换热系数分布
图４显示了下止点时刻，冷却通道壁面及活塞底面的 对流换热系数分布情况。很明显，在冷却通道入口处，对 流换热系数是最大的，这是因为此处机油与活塞的相对 切向速度最大。另外，冷却通道壁面对流换热系数明显低 于活塞底面，这说明喷人冷却通道的机油流量较小，大部 分机油都喷射到了活塞底面，没有很好的发挥冷却通道 的冷却作用，这说明喷嘴的设计还有很大的改进空间。
（２）冷却通道出口截面机油相对体积流速的变化有点 类似正弦波动，并且在活塞的一个行程内波动两次，这也 说明了机油在冷却通道中作高频振荡。
（３）通过对进出口及巾截面的体积流速在一个循环内 积分，并根据转速进行相应的单位换算，可获取进出口机 油流量：进口：２．３５５０Ｉ＿／ｍｉｎ；出口：２．３７８１Ｉ．／ｍｉｎ。
ＮＦ２．０２Ｒｅｏ·崩Ｐ，’３（Ｄ／Ｈ）ｌ上上Ｉ
Ｌ斗－Ｊ
式中，Ｍ为努塞尔数，Ｄ。为油腔的当量直径，Ｈ为冷 却通道的平均高度，凡为雷诺数，¨，为流动粘度，斗。为 壁面粘度。根据机油参数，Ｐｒ为普朗特数；机油在油腔内 流动状态是上下振荡速度和进出油腔速度综合的效果，
即Ｒｅ＝ＶＲｅ：＋Ｒｅ：，Ｒｅ。为上下振荡速度对应的雷诺数，
（２）通过计算，分析了不同曲轴转角下冷却通道进出 口及冷却通道内部的机油流动特点，为进一步改善高位 空心环活塞的设计，提高其冷却能力提供了依据。
（３）最后，本文还获取了活塞冷却通道壁面及活塞下 表面对热换热系数的分布，为活塞活度场计算提供支持。
参考文献
【１ｌ张勇，张力等．振荡冷却油腔活塞热结构强度的有限元分析 【Ｊ】．内燃机工程，２００４，１０：５６—５９．
ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ ｄｕｅ ｔｏ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏ－
ｇｉⅨｔＯ ｍｏｏｔ ｌｏｗ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｍｑｕｉｒｅｎｍｎｔｓ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ
ｐｉｓｔｏｎ ｔｈｅｒｍａｌ ｌｏａｄｉｎｇ ｉｓ ｏＩ∞０ｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ｔｏ ｆｎｒｔｈｏｌ＊
活塞喷油冷却流场数值模拟
王任信 陆 健 李国祥
（山东大学，济南２５００６１）
摘 要：近年来，随着柴油机排放及功率要求的提高，柴油机热负荷显著的增加，其中活塞熟负荷问题成为 柴油机进一步强化的主要限制因素之一。对于高热负荷活塞，通常采用冷却通道的办法来降低活塞温度。使用 ＣＦＤ工具获取表面换热系数已越来越多的用于温度场的计算，本文通过流动计算获取冷却通道壁面及活塞底 面的换热系数，并分析喷油冷却流场计算结果，提出改进措施。
ｔｈｅ目ｌＩｆｉｃｅ ｉｓ １１１０１沱ａｎｄ ｍＯｌ＂ｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ
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压缩流体，故机油的质量流速与体积流速变化趋势是相 同的。下面，对图２中的曲线进行简要分析：
（１）冷却通道进１２１机油流量随曲轴转角变化非常明 显。活塞由上止点下行至１２０ｄｅｇ曲轴转角范围内，冷却喷 嘴方向与冷却通道入口相距较远，冷却通道进口机油流 量变化趋势与活塞运动速度变化基本一致。曲轴转角在 １２０～１９５ｄｅｇ范围内冷却喷嘴方向开始指向冷却通道入口 处，冷却通道进ＶＩ机油体积流速迅速增长，在下止点时， 冷却喷嘴方向与冷却通道入１：３完全对齐，但此时的机油 相对流速还在增加，直至１９５ｄｅｇ时，相对流速达到最大 值。１９５ｄｅｇ过后，由于活塞上行速度迅速增大，故冷却通 道入口处机油的相对速度也随着迅速下降。
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曲轴转角（ｄｅｇ） 图３冷却通道中部截面机油流量 获取冷却通道左右两边流量，如图３所示。从中可看 出，流经左右两边通道的机油流量是不同的，左边明显大 于右边，这是因为冷却喷嘴与垂直方向有一个夹角，冷却 通道入口处的机油存在一个横向速度。另外，图３可看 出，两个截面的体积流速变化趋势是相似的，都在下止点 附近（１９５ｄｅｇ）处达到最大值，因为此时流人的机油流虽是 最大的。
２７０ｄｅｇ之后，由于活塞上行速度变慢，喷射的机油与活塞 的相对速度增加，故活塞底面的对流换热系数在加大。 ４结论
喷油冷却ＣＦＩ）计算的最终目的就是获取对流换热系 数，为活塞温度场计算提供第三类边界条件。由上面的计 算结果分析可知：与经验公式相比，由ＣＦＤ计算获取的对 流换热系数更符合实际情况。因为冷却通道壁面及活塞 底面的对流换热系数分布极不均匀，它们受机油流场分 布的影响很大。如果直接以几个有限的的值来近似这些 表面的对流换热系数，得到的结果将不够精确。目前在发 动机行业，热机耦合技术已逐步得到应用。商用ＣＦＤ软件 已越来越用的应用于获取流同边界的热边界条件，采用 ＣＦＤ获取喷油冷却通道及活塞底面热边界条件是近几年
果采用经验或试验公式的办法，只能获取有限的几个值 来近似活塞各个表面的热边界条件，与实际情况不符。本 文通过对活塞喷油冷却过程进行ＣＦＤ模拟，获取冷却机 油的流场。以及活塞下表面及冷却通道壁面的对流换热 系数分布。从而可以为活塞温度场的计算提供更为准确 的第三类热边界条件。 １活塞喷油流场计算的关键技术
首先，由于活塞冷却喷嘴喷出的机油是连续的，故可 把流动过程看过欧拉两相流动，即在计算时采用欧拉两 相流模型。欧拉两相流模型通过求解单独的动量方程和 处理穿过区域的每一相的体积分数来模拟两种不能混合 的流体。欧拉模型中两种或多种流体没有互相穿插，在每 个控制容积内，所有相体积分数的和为１。在计算所有单 元的物质面通量时，为了提高精度，应采用欧拉隐式方案 计算，即需要当前时间步的体积分数值在每一个时间步 内标准的标量输送方程为每一个第二相的体积分数迭代 性地求解。另外，针对活塞喷油流场的计算，在计算中还 需考虑表面张力的影响。
｛荨
抛
誓
啪 咖
藿咖
蠢啪
簧瑚
枷
湖
０
５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０
曲轴转角（ｄｅｇ）
（单位：骱承）
图５活塞底面及冷却通道壁面的平均对流换热系数
图５显示了活塞底面及冷却通道壁面的平均对流换 热系数随曲轴转角的变化趋势，从中可看出在１２０。１５０ｄｅｇ 范围内，活塞底面平均对流换热系数较大，这是因为在这 个阶段活塞正下向下运动，喷嘴朝向偏离冷却通道人口，
在软件中激活瞬态计算、多相流模型、湍流模型，设置 组分及组分初始化。边界条件设定如表１所示：
表１边界条件
边界名称
边界类型
边界条件
冷却机油入口 底面出口 其余壁面ຫໍສະໝຸດ 压力入口 自然出口 绝热面
６００ ｋＰａ 默认
默认
３计算结果分析 由于是动态计算，故需要分别获取各个时间步下的流
场计算结果。计算时，每个时间步步长为ｌｄｅｇ曲轴转角， 每隔１５ｄｅｇ输出一个结果。由于在计算的初始时刻，活塞 冷却通道内是没有机油的，冷却喷嘴从初始时刻开始往 活塞冷却通道内喷射机油，为了保证冷却通道内机油的 流动状态只与曲轴转角有关，而不随循环次数增加而变 化，共计算了１５个冲程，只提取最后一个冲程的结果进 行分析。在分析时，按照习惯，假定上止点处曲轴转角为
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ—ｓｔｏｎ Ｃ∞ＩｉＩｌｇ Ｏｉｌ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ
‘
Ｆｌｏｗ Ｆｉｅｌｄ