吴 冬

（西安航空职业技术学院航空维修工程学院,陕西 西安 710089）

化学、物理及热力学现象的计算机模拟旨在尽可能地反映真实的现象。必须包括许多具有相同影响的复杂过程，特别是如果简单的数学模型不充分描述给定的情况（例如复杂的几何空气动力学），或者劳动力消耗和复杂性对于分析建模来说计算复杂度太高，存在连续功能未充分描述并且发生强非线性的情况；如果添加更多组件参数，则模型的误差范围会增加，从而模型变得脱离实际。因此，数学模型是简化的数学结构，其描述了实现特定目的的现实，如发动机的循环模拟是类似的建模过程，在该研究中，发动机循环模拟进行了复杂的模型计算，以便在发动机的最大功率条件（起飞功率）下找出温度分布和传热[1-4]。

假设在对流条件下温度对外部发动机表面的传热系数的影响可忽略不计。因此，外表面模拟可以被区分为名为“CFD＃1”的单独模拟，图1给出了计算模型分类，CFD＃1在亚音速不可压缩流动条件下作为稳态模拟进行。在名为“CFD＃2”的模拟中，CFD＃1字段被映射为外部引擎表面上的静态边界条件。CFD＃2和CFD＃3型号是瞬态的，他们通过ACCI同步在传热和时间方面耦合。

图1 发动机计算模型分类

1 分析及建模

1.1 传热系数模型“CFD＃1”

发动机环境的几何形状对通过汽缸和缸盖散热片的空气流动条件有重要影响。边界条件基于某些飞行条件的国际大气标准计算，如海拔高度设定为海拔1.5 km，相对空气速度为V0=60 m/s，螺旋桨地有效转换功率为Pp=605 km，螺旋桨扫掠面积为SP=836 m2，螺旋桨后面的气流可以借助Froude的动量理论计算为V=72 m/s。发动机表面周围的流动是外部流动，热力学上系统恢复其为原始形式，因此，CFD＃1计算的参考温度定义为计算域的入口温度（288.15 K）[5]。

1.2 耦合传导模型“CFD＃2”

CFD＃2模型负责气缸和气缸盖计算域中的传导传热数值计算，这两个发动机部件均由不同材料构成，通过将计算域划分为子域，通过共形界面耦合，在模型中实现多材料属性，图2显示了模拟边界条件的选择。“BND_Liner”和“BND_Komora”对应于ACCI互连。来自CFD＃1模拟的边界条件被映射为表面“BND_GLO_Outer_surf”和“BND_CYL_Outer_surf”上的静态边界条件。

图2 在CFD＃2瞬态传导模拟中命名选择

1.3 耦合发动机仿真模型“CFD＃3”

“CFD＃3”数值模型包括为每个连续时间步骤单独生成的变化网格。因此，可以执行由许多连续发动机循环组成的模拟并且反映不稳定因素，例如燃料膜形成或内部废气再循环[6-8]。模型创建前提遵循以下假设条件：

（1）流体是压缩和黏性-亚音速条件；

（2）燃烧室完全密封在活塞和阀门接触区域；

（3）省略了油膜和其他沉积物对传热的影响；

（4）活塞、阀门和入/出口管道温度恒定；

（5）简化了一些发动机几何结构细节，以加速网格生成并提高网格质量；

（6）通过活塞与燃烧室分离的气缸壁表面的曲轴箱侧的热传递被设定为具有恒定的边界条件和参考温度的对流；

（7）空气/燃料混合物是均匀的。

1.4 传热收敛

在曲轴转速n=2 200/min时，单个发动机循环需要54.54 ms才能完成。本文提出的耦合模型大约需要10个小时来计算一个周期，如果温度达到其最大稳定值（当由于传导而没有温度净变化时），则需要太多的周期来模拟，计算时间过长会使这种模拟时效性较差，脱离实际。发动机需要几分钟才能达到稳态温度场，在这种情况下，1 min的发动机运转包括大约1 100个循环（每个循环需要720°CA才能完成）。假设模拟每1个循环需要10个小时，则1min的发动机运行需要11 000小时的模拟，这是不可行的。为了加速导电材料中温度场的变化率，热容量可以按比例ζ缩小，根据傅里叶定律，材料的稳态温度场主要取决于其导热系数，传导的瞬态行为取决于材料的比热和密度，比热可以表示为描述该材料保持热能的能力的密集量，在模拟中，铝和钢的比热容分别设定为990 J/(kg·K）和460 J/（kg·K）。传导可以通过通用传热方程，如式（1）所示，该方程对于均匀的固体材料是有效的[9]。

式（1）的最后一个组成部分考虑了时间对瞬态热传递的影响。对式（1）进行转换可证明为何降低热容量值会导致更改温度场所需的时间减少，转换后如式（2）所示：

式（2）证明了温度随时间的变化与热容的变化成反比，即如式（3）所示：

因此，当考虑具有恒定时间步长δt的情况时，热容量的减小将导致在给定时间间隔内更显着的温度变化。这意味着需要计算更少的循环以达到稳定的温度场。然而，根据式（4），热容量的变化将影响传导模拟域中的焓场。

因此，在传输与温度场相关联的耦合变量时，必须考虑缩放因子ζ。对于该模拟，比例因子ζ为320。因此，仅需要约20个计算引擎周期即能使温度达到稳定状态。一旦达到稳定温度，比例因子可以恢复为1，以便能够研究瞬态中间循环热交换行为。

2 结果及分析

模拟结果的质量取决于模型参数的精确性，应用高度复杂的模型总是涉及结果保真度和计算时间之间的平衡。随着可用时间的计算能力的稳定增加，可以处理更大和更复杂的模型。CFD#3模拟旨在计算多个发动机运行周期内的化学和热力学流体特性。该模型基于已知的发动机参数测量开发，主要来自发动机试验台测量，描述内燃机中的操作过程的主要参数是在燃烧室中测量的压力。图3显示了实际发动机运行压力测量与模拟结果之间的比较，该测量过程是使用光纤压力传感器进行的。

图3 气缸压力与曲轴角度的关系

瞬态传热模型在某些条件下增加身体焓的过程可以通过集总系统分析来描述，这种模型中的标准是基于公式（5）计算的Biot数值为Bi＜0.1。

假设特征长度LC被描述为体积/表面积比，如果不考虑散热片，发动机缸盖和气缸的Biot值不会超过0.1。

在内燃机中，燃烧产生的大约30%的热量通过发动机冷却系统逸出，在风冷发动机中，传递的热量取决于气缸和缸盖表面。发动机冷却不良可能会对气缸表面摩擦学和机械强度产生不利影响，可能会出现导致爆震燃烧的高温热点。弱冷却导致较短的发动机预热阶段，这在气缸磨损方面是有利的，由于较高的壁温提高了热机的循环效率。另一方面，如果夸大发动机冷却过程，则可以观察到较低的热效率和较高的汽缸磨损。因此，必须基于复杂的热传递分析来设计在发动机可靠性和效率方面足够且最佳的冷却系统。为了找出某些参数对发动机预热的影响，开发了如上的集总系统模型，该模型的主要优点是降低了计算复杂性。

3 结论

发动机的预热阶段需要一些时间才能达到稳定的温度场，发动机启动可能需要300 s。由于数值计算的限制以及使用非常小的时间步长的必要性（特别是在发生巨大能量转移的燃烧过程中），使用旨在减少达到稳定温度场所需的循环次数的方法是至关重要的。本文提出的方法在出现时间限制时使计算机模拟在共轭传热分析中更具实用性和吸引力。