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SimLab软件在船用柴油机缸盖温度场分析中的应用

2022/3/22    来源:Altair    作者:焦亚飞  张华兵      
关键字:流固耦合  SimLab  边界映射  温度场  
本文使用Altair公司的SimLab软件进行冷却侧换热边界的映射加载,确保了传递数据的准确、高效,极大的提高了工作效率。
1 概述

       随着船用柴油机向大功率、高密度的方向发展,柴油机将承受更高的热负荷和机械载荷,缸盖长期在高温下承受交变的机械负荷极易出现热疲劳失效。目前国内外对缸盖的热机疲劳分析已经成为研究的热点,而其关注焦点是对缸盖温度的准确预估。因而在对某柴油机缸盖改进时开展缸盖的温度场分析显得尤为重要。

       本文对某船用柴油机缸盖建立三维有限元模型,采用流固耦合的方法获得缸盖的冷却侧边界,按经验公式法施加燃气侧边界,进行缸盖温度场仿真分析,并与试验值进行对比验证。其中对传热边界施加过程中,使用Altair公司的SimLab软件进行冷却侧换热边界的映射加载,确保了数据传递的准确、高效。

2 计算模型的建立

       2.1 计算对象

       缸盖模型如图1(a)所示,从图中可以看出,其结构非常复杂,包含较多的螺栓孔、凸台、倒角,同时内部还有冷却腔道。在有限元分析时需要进行必要的简化,采用SimLab软件自动划分四面体网格,如图1(b)所示。材料为HT250灰铸铁,基本材料属性见表1。

缸盖计算模型

图1 缸盖计算模型
表1 材料属性

材料属性


       2.2 边界条件

       合理给出传热边界条件是得到可靠温度场计算结果的关键。缸盖的传热边界主要分为三部分:冷却侧、燃气侧以及其他换热边界条件,下面分别展开描述。

       (1)冷却侧边界

       冷却侧边界采用缸盖冷却水腔CFD计算结果,即将冷却水与缸盖之间的对流换热系数与缸盖近壁面流体温度值映射至有限元网格上。SimLab软件的Mapping功能可以很好的实现各种计算软件之间的边界数据传递,其基本流程如图2所示:

边界映射方法示意

图2 边界映射方法示意

       在SimLab软件中,读入缸盖FEA网格文件,打开Analysis-Mapping操作界面(见图3)。1)选择映射方法为“数据表格法”(Data Table);2)选择映射类型为“对流换热”(Convection),按距离加权插值(Weighted Distance),并映射至单元节点(Element Nodal);3)读取CFD计算输出文件;4)选择要映射的面或体,即如图所示的流固耦合交界面;5)建立温度载荷,类型选择“Convection”并命名;6)点击“Map Data”进行数据映射。

       映射成功后,可以在SimLab软件中点击“Plot Contour”查看映射结果,如图4所示,通过CFD计算结果对比发现,结果一致,验证了边界加载的准确性。

边界映射主要设置

图3 边界映射主要设置

映射得到冷却侧边界云图

图4 映射得到冷却侧边界云图


       (2)燃气侧边界

       在稳定工况下,燃气对火力面的换热系数是随时间和空间变化的,且在每一个工作循环内呈现周期性变化。众多试验结果表明,火力面温度基本不随时间变化,因此一般以性能计算获得的燃气平均换热系数αg,m以及平均温度tg,m作为燃气侧的传热边界,具体计算公式如下所示:

       燃气的平均换热系数为

燃气的平均换热系数


       燃气的平均温度为

燃气的平均温度


       其中缸内瞬时燃气温度tg与瞬时换热系数αg通过一维热力循环模拟计算得到,τ0为一个工作循环的周期。

       相关的研究以及试验已经证明,对于柴油机的火力面处,如果采用统一的平均换热系数αg,m作为边界条件,不足以反映缸内真实的换热情况。由于缸盖火力面处的换热系数主要受缸内气流的影响,并综合考虑其他因素的影响,将辐射换热的因素也等效成对流换热系数,得出了火力面换热系数随缸径变化之间的无量纲关系(见图5),并按照火力面分区分别加载。

无量纲换热系数与无量纲缸径的关系

图5 无量纲换热系数与无量纲缸径的关系


       (3)其他温度边界

       其他换热边界主要包括进排气道、进排气阀等,通过经验公式以第三类边界条件加载,具体施加位置及数值见图6,其中A为对流换热系数,单位W/m.K,T为温度,单位K。

其他温度边界示意

图6 其他温度边界示意


3 计算结果分析

       计算得到的缸盖温度场分布如图7所示,最高温度出现在两排气阀间的鼻梁区位置,与铸铁材料的缸盖火力面临界温度相比,在额定工况下缸盖的最高温度低于临界温度值,表明此缸盖的热负荷满足设计要求。

缸盖温度分布

图7 缸盖温度分布


       将仿真结果与采用硬度塞测量的试验值进行对比,结果如图8所示。可以看出,仿真值与试验值吻合良好,最大误差为4.3%,出现在测点5位置。验证了计算方法和边界加载的准确性。

硬度塞试验值温度分布及对比

图8 硬度塞试验值温度分布及对比

4 结论

       (1)采用流固耦合的方法对某船用柴油机缸盖进行温度场预测,仿真结果表明缸盖最高温度低于材料临界温度值,缸盖的热负荷满足设计要求;与试验值进行对比,两者吻合良好,最大误差为4.3%,验证了计算方法和边界加载的准确性,为后续开展缸盖的热机疲劳分析提供了准确温度边界。

       (2)使用SimLab软件进行边界条件的映射加载,尤其是针对不同分析软件之间的数据传递,操作简单,快捷,通用,可以极大的提高效率。
责任编辑:程玥
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