发动机传散热仿真分析方法及应用

通常基于发动机冷却系统传散热耦合计算的方法仿真分析发动机的传散热。本节以柴油机为例进行分析。

发动机冷却系统传散热耦合计算综合考虑气缸内燃气传热、柴油机部件传热、冷却液流动与传热，对这些传热过程的单独研究为柴油机整机散热性能计算奠定了基础。

1.气缸内燃气传热计算

柴油机气缸内燃气与气缸内壁面的传热计算研究较多，所采用的模型有完全实验模型、简单无量纲模型、简单流动模型和流动分析模型。

1）完全实验模型

完全实验模型通过整理实验结果得到，完全实验模型公式的形式与系数完全取决于实验数据和人为选择，因此缺乏理论依据，适用范围有限。

2）简单无量纲模型

简单无量纲模型是在完全实验模型的基础上，通过引入强迫对流传热的相似准则关系式而发展起来的一种气缸内传热模型，它以传热学中的相似理论为指导，使模型具有一定的普遍性，模型中各参数间的联系也有了一定的物理含义。

3）简单流动模型

简单流动模型是无量纲模型的一个分支，这类模型也采用了准则方程的表示形式，与简单无量纲模型相比，它的一个显著特点是用能够反映气缸内复杂流动状态的某种流动参数取代活塞平均速度成为特征速度。简单流动模型开辟了由研究气缸内气体流动入手研究对流传热的方向，但这种模型中的流场经过了极大简化，且仍依赖于传热实验，因此仍是半经验模型。

4）流动分析模型

流动分析模型是在内燃机气缸内流动计算的基础上，通过联立质量、能量和动量守恒方程建立边界层内的一维或多维传热模型，并用数值方法进行求解以从理论上分析气缸内传热过程。(www.xing528.com)

2.柴油机部件传热计算

计算柴油机部件传热，所采用的方法有解析法、数值计算法和热网络法3种。

1）解析法

解析法是用形式化的符号来表达实际问题中各要素之间的关系以得出描述该问题所需的数学表达式，然后通过数学计算求解问题解析解（用数学表达式表示的解）的方法。对单个部件传热过程的求解最初采用的是解析法，其理论比较成熟，可以求解出零件温度场的解析值，并可详细了解传热表达式中各项参数对温度变化的影响，但是该方法只能用来分析形状和边界条件都比较简单的零件，因此限制了其应用。

2）数值计算法

实际中的数学问题，只有很少一部分能求出其解析解，因此通常采用各种计算方法对具体数值进行运算来求出数学问题的数值解（由具体数值表示的解），这些数值解就是满足实际问题需要的解。上述求数值解的方法称为数值计算法。目前在发动机受热部件温度场的数值计算研究中，所采用的数值计算方法主要是有限差分法和有限单元法。

3）热网络法

热网络法也称热阻热容法或简化的有限差分法，其基本原理是，把研究对象细分为节点，相邻节点之间任何方式的传热都用热阻代替，并构成传热网络；各个节点均看成是具有集总参数的单元，对每个单元或回路利用基尔霍夫电流定律（KCL）、基尔霍夫电压定律（KVL）建立以温度为待求量的热平衡方程；将每个单元的热平衡方程组合在一起得到传热网络的非线性微分代数方程组；求解传热方程组得到单元温度。热网络法是一种分析传热过程的有效方法，易于得出各种复杂传热问题的热平衡方程，能够求解复杂结构中各点的温度及其变化率，非常适用于计算由多个零部件和装置组成的复杂系统的稳态和非稳态传热过程。相对于有限元及其他数值计算方法，热网络法更适用于系统级的传热和温度场分析，可以避免数值计算的烦琐和困难，具有简单快捷、边界条件易于处理等优点，而且计算精度满足一般工程计算要求。

3.冷却液流动与传热计算

发动机工作时，水泵驱动冷却液流动，冷却液在冷却系统内部循环，当其流经机体和气缸盖时从高温部件带走热量，流经水散热器芯体时将热量传给冷却空气。若计算冷却液在冷却系统所有管路内的流动与传热，则需要仿真整个冷却系统的工作。