CN112069667B - 一种中冷器流热固耦合数值仿真方法 - Google Patents

一种中冷器流热固耦合数值仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及发动机领域，公开一种中冷器流热固耦合数值仿真方法，包括以下步骤：对中冷器模型进行简化处理，建立中冷器的计算域，对简化处理后的中冷器模型及其计算域进行面网格划分，固体物理模型选择应力场计算，流体物理模型选择温度场计算，进行温度场计算，温度场稳定后，关闭温度场计算，激活应力场计算，直至应力场残差稳定，根据计算得到的温度分布和中冷器各点应力分布判断中冷器可靠性。本发明提供的中冷器流热固耦合数值仿真方法，解决了中冷器温度场计算精度问题，使得中冷器表面温度分布更加接近实际，避免了利用经验数值修正带来的误差，为中冷器热应力仿真提供了精确数值，提高了应力仿真结果的精确性。

Description

一种中冷器流热固耦合数值仿真方法
技术领域
本发明涉及发动机领域，尤其涉及一种中冷器流热固耦合数值仿真方法。
背景技术
发动机进气***对整车性能具有十分重要的作用，进气温度对发动机效率有重要影响。据统计，发动机进气温度每降低10℃，发动机效率提升3％-5％。为了提升进气效率，车辆往往增加涡轮增压装置，涡轮增压后的气体温度最高可达200℃，为降低发动机进气温度，中冷器应运而生。中冷器作为降低气体温度的冷却部件，长时间处于高温的环境。高温对材料的结构属性和寿命具有较大影响，如何评估高温气体对中冷器结构的影响成为一项难题。
传统评估高温气体对中冷器结构影响的方法中，主要利用试验确定中冷器关键部位的应力情况，但由于中冷器局部温度过高且结构复杂，常规测试很难反映整体应力情况，只能进行局部测试。测试过程中由于测试设备的精度原因，测试结果存在较大误差。
发明内容
基于以上问题，本发明的目的在于提供一种中冷器流热固耦合数值仿真方法，提高仿真结果的精确性。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种中冷器流热固耦合数值仿真方法，包括以下步骤：
S1、对中冷器模型进行简化处理，建立中冷器的计算域，计算域包括内部流场区域、外部流场区域、气管内部多孔介质区域和气管外部多孔介质区域；
S2、对简化处理后的中冷器模型及其计算域进行面网格划分，固体连接处和流固交界处均采用共节点网格，根据真实模拟环境，将中冷器模型的固体域和流体域进行分区，分别生成固体域网格和流体域网格；
S3、固体物理模型选择应力场计算，流体物理模型选择温度场计算，内部流场区域的入口为质量流量入口，温度设置为实际进气温度，内部流场区域的出口为压力出口边界，外部流场区域的入口设置为速度入口，外部流场区域的出口设置为压力出口；
S4、进行温度场计算，温度场稳定后，关闭温度场计算，激活应力场计算，直至应力场残差稳定，根据计算得到的温度分布和中冷器各点应力分布判断中冷器可靠性。
作为本发明的中冷器流热固耦合数值仿真方法的优选方案，在步骤S1中，对中冷器模型进行简化处理时，中冷器模型中护板和气室存在缝隙，对此处模型进行拉伸连接处理。
作为本发明的中冷器流热固耦合数值仿真方法的优选方案，在步骤S1中，在流体计算时，对中冷器模型的进口和出口分别进行拉伸处理。
作为本发明的中冷器流热固耦合数值仿真方法的优选方案，在步骤S1中，对中冷器模型进行简化处理时，气管内部的扰流片和气管外部的翅片结构分别设置为多孔介质，以形成气管内部多孔介质区域和气管外部多孔介质区域。
作为本发明的中冷器流热固耦合数值仿真方法的优选方案，在步骤S2中，在划分面网格时，内部流场区域的网格尺寸设置为3mm，外部流场区域的网格尺寸设置为20mm，气管、护板和多孔介质的网格尺寸设置为1mm。
作为本发明的中冷器流热固耦合数值仿真方法的优选方案，在步骤S2中，在生成固体域网格和流体域网格时，设置网格全局尺寸为1mm-2mm，流体域除多孔介质外设置边界层，厚度为2mm，增长因子为1.2，层数为3层。
作为本发明的中冷器流热固耦合数值仿真方法的优选方案，在步骤S3中，不同固体域设置为不同结构属性的铝合金，流体域设置为空气。
作为本发明的中冷器流热固耦合数值仿真方法的优选方案，在步骤S3中，对于气管外部多孔介质区域，设置多孔介质惯性阻力系数、粘性阻力系数、固体热导率和孔隙率，并根据试验值进行标定。
作为本发明的中冷器流热固耦合数值仿真方法的优选方案，在步骤S3中，气管内部多孔介质区域的参数根据试验值进行标定。
作为本发明的中冷器流热固耦合数值仿真方法的优选方案，在步骤S4中，待温度场收敛后，将冷热侧压降和冷热侧温度和试验值对标，如误差在10％以内，则认为流场仿真正确，此时打开应力场。
本发明的有益效果为：
本发明提供的中冷器流热固耦合数值仿真方法，首先，对中冷器模型进行简化处理，建立中冷器的计算域，计算域包括内部流场区域、外部流场区域、气管内部多孔介质区域和气管外部多孔介质区域；其次，对简化处理后的中冷器模型及其计算域进行面网格划分，固体连接处和流固交界处均采用共节点网格，根据真实模拟环境，将中冷器模型的固体域和流体域进行分区，分别生成固体域网格和流体域网格；然后，固体物理模型选择应力场计算，流体物理模型选择温度场计算，内部流场区域的入口为质量流量入口，温度设置为实际进气温度，内部流场区域的出口为压力出口边界，外部流场区域的入口设置为速度入口，外部流场区域的出口设置为压力出口；最后，进行温度场计算，温度场稳定后，关闭温度场计算，激活应力场计算，直至应力场残差稳定，根据计算得到的温度分布和中冷器各点应力分布判断中冷器可靠性。本发明提供的中冷器流热固耦合数值仿真方法，解决了中冷器温度场计算精度问题，使得中冷器表面温度分布更加接近实际，避免了利用经验数值修正带来的误差，为中冷器热应力仿真提供了精确数值，提高了应力仿真结果的精确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式提供的中冷器流热固耦合数值仿真方法的第一流程示意图；
图2是本发明具体实施方式提供的中冷器流热固耦合数值仿真方法的第二流程示意图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，本实施例提供一种中冷器流热固耦合数值仿真方法，该中冷器流热固耦合数值仿真方法包括以下步骤：
S1、对中冷器模型进行简化处理，建立中冷器的计算域，计算域包括内部流场区域、外部流场区域、气管内部多孔介质区域和气管外部多孔介质区域；
S2、对简化处理后的中冷器模型及其计算域进行面网格划分，固体连接处和流固交界处均采用共节点网格，根据真实模拟环境，将中冷器模型的固体域和流体域进行分区，分别生成固体域网格和流体域网格；
S3、固体物理模型选择应力场计算，流体物理模型选择温度场计算，内部流场区域的入口为质量流量入口，温度设置为实际进气温度，内部流场区域的出口为压力出口边界，外部流场区域的入口设置为速度入口，外部流场区域的出口设置为压力出口；
S4、进行温度场计算，温度场稳定后，关闭温度场计算，激活应力场计算，直至应力场残差稳定，根据计算得到的温度分布和中冷器各点应力分布判断中冷器可靠性。
可选地，在步骤S1中，对中冷器模型进行简化处理时，中冷器模型中护板和气室存在缝隙，对此处模型进行拉伸连接处理。在本实施例中，可以采用计算机软件(例如Hypermesh软件)对中冷器模型进行简化处理，删除多余的线条和几何，由于实际情况中，中冷器模型中护板和气室通过焊接方式连接，因此对此处模型进行拉伸连接处理。
可选地，在步骤S1中，在流体计算时，对中冷器模型的进口和出口分别进行拉伸处理。在本实施例中，在流体计算时，为保证流动充分，需要中冷器模型的进口和出口分别进行拉伸处理，此处进口拉伸至进口初始直径的3倍，出口拉伸至出口初始直径的5倍。
可选地，在步骤S1中，对中冷器模型进行简化处理时，气管内部的扰流片和气管外部的翅片结构分别设置为多孔介质，以形成气管内部多孔介质区域和气管外部多孔介质区域。在本实施例中，根据中冷器的流动特点，气管内部与外部存在增强散热性能的扰流片与翅片结构，如将该结构利用流体真实仿真，则网格数量巨大，将无法进行计算，因此将中冷器气管内部流动与气管外部流动部分设置为多空介质，借此代替真实扰流片与翅片的流动情况，使得应力仿真更加精确。
可选地，在步骤S2中，在划分面网格时，内部流场区域的网格尺寸设置为3mm，外部流场区域的网格尺寸设置为20mm，气管、护板和多孔介质的网格尺寸设置为1mm。在本实施例中，可以采用计算机软件(例如Hypermesh软件)进行网格划分，划分完毕后，导出nas格式网格。
可选地，在步骤S2中，在生成固体域网格和流体域网格时，设置网格全局尺寸为1mm-2mm，流体域除多孔介质外设置边界层，厚度为2mm，增长因子为1.2，层数为3层。在本实施例中，将导出的nas格式网格导入Star-ccm+软件中，固体域网格和流体域网格均为共形网格，固体域网格和流体域网格选择interface模式进行连接。
可选地，在步骤S3中，不同固体域设置为不同结构属性的铝合金，流体域设置为空气。在本实施例中，铝合金的材料属性通过材料手册可获得，由于考虑了不同材料的属性，计算结果更加符合实际。
为提高计算结果的精确性，可选地，在步骤S3中，对于气管外部多孔介质区域，设置多孔介质惯性阻力系数、粘性阻力系数、固体热导率和孔隙率，并根据试验值进行标定。
为进一步提高计算结果的精确性，可选地，在步骤S3中，气管内部多孔介质区域的参数根据试验值进行标定。
为保证温度场及应力场的计算结果精确，可选地，在步骤S4中，待温度场收敛后，将冷热侧压降和冷热侧温度和试验值对标，如误差在10％以内，则认为流场仿真正确，此时打开应力场。
本实施例提供的中冷器流热固耦合数值仿真方法，解决了中冷器温度场计算精度问题，使得中冷器表面温度分布更加接近实际，避免了利用经验数值修正带来的误差，为中冷器热应力仿真提供了精确数值，提高了应力仿真结果的精确性。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种中冷器流热固耦合数值仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对中冷器模型进行简化处理，建立中冷器的计算域，计算域包括内部流场区域、外部流场区域、气管内部多孔介质区域和气管外部多孔介质区域；
S2、对简化处理后的中冷器模型及其计算域进行面网格划分，固体连接处和流固交界处均采用共节点网格，根据真实模拟环境，将中冷器模型的固体域和流体域进行分区，分别生成固体域网格和流体域网格；
S3、固体物理模型选择应力场计算，流体物理模型选择温度场计算，内部流场区域的入口为质量流量入口，温度设置为实际进气温度，内部流场区域的出口为压力出口边界，外部流场区域的入口设置为速度入口，外部流场区域的出口设置为压力出口；
S4、进行温度场计算，温度场稳定后，关闭温度场计算，激活应力场计算，直至应力场残差稳定，根据计算得到的温度分布和中冷器各点应力分布判断中冷器可靠性。
2.根据权利要求1所述的中冷器流热固耦合数值仿真方法，其特征在于，在步骤S1中，对中冷器模型进行简化处理时，中冷器模型中护板和气室存在缝隙，对此处模型进行拉伸连接处理。
3.根据权利要求2所述的中冷器流热固耦合数值仿真方法，其特征在于，在步骤S1中，在流体计算时，对中冷器模型的进口和出口分别进行拉伸处理。
4.根据权利要求3所述的中冷器流热固耦合数值仿真方法，其特征在于，在步骤S1中，对中冷器模型进行简化处理时，气管内部的扰流片和气管外部的翅片结构分别设置为多孔介质，以形成气管内部多孔介质区域和气管外部多孔介质区域。
5.根据权利要求1所述的中冷器流热固耦合数值仿真方法，其特征在于，在步骤S2中，在划分面网格时，内部流场区域的网格尺寸设置为3mm，外部流场区域的网格尺寸设置为20mm，气管、护板和多孔介质的网格尺寸设置为1mm。
6.根据权利要求5所述的中冷器流热固耦合数值仿真方法，其特征在于，在步骤S2中，在生成固体域网格和流体域网格时，设置网格全局尺寸为1mm-2mm，流体域除多孔介质外设置边界层，厚度为2mm，增长因子为1.2，层数为3层。
7.根据权利要求1所述的中冷器流热固耦合数值仿真方法，其特征在于，在步骤S3中，不同固体域设置为不同结构属性的铝合金，流体域设置为空气。
8.根据权利要求7所述的中冷器流热固耦合数值仿真方法，其特征在于，在步骤S3中，对于气管外部多孔介质区域，设置多孔介质惯性阻力系数、粘性阻力系数、固体热导率和孔隙率，并根据试验值进行标定。
9.根据权利要求8所述的中冷器流热固耦合数值仿真方法，其特征在于，在步骤S3中，气管内部多孔介质区域的参数根据试验值进行标定。
10.根据权利要求1-9任一项所述的中冷器流热固耦合数值仿真方法，其特征在于，在步骤S4中，待温度场收敛后，将冷热侧压降和冷热侧温度和试验值对标，如误差在10％以内，则认为流场仿真正确，此时打开应力场。
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