车用发动机热交散系统的多场耦合分析.doc

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1、车用发动机热交散系统的多场耦合分析多场耦合问题是指在一个系统中，由两个或者两个以上的场发生相互作用而发生的一种现象，它在自然界或机电产品中广泛存在。热交散系统涉及到冷热流体的热交散，流体流动对散热造成影响，而结构温度也会影响流场，冷热流体通过散热管之间的散热是一个不可分割的过程，通过多场耦合分析和数值模拟能够求出界面的对流散热系数，进行精细的散热评价；多场耦合研究也可以直观的显示出各构件的温度和流体压力载荷分布，能更好地进行结构应力分析，确保热交散系统结构安全和节省材料。一、主要研究内容1热交散系统所涉及的多场耦合范围对于热交散系统，主要涉及到结

2、构场、流场、温度场的耦合，因而通常分析其以下几个层面的耦合：●流体-热耦合，即流场及其温度场的耦合，流场对温度场的影响体现为有热交散的流动系统满足的热力学第一定律，温度场对流场的影响体现在温度可改变流体的动力粘度。●结构-热耦合，即结构场及其温度场的耦合，温度场对结构的作用表现为温度差导致结构的膨胀或缩小从而产生热应力，而固体的变形对热的参数影响很小，一般可以忽略。●流体-结构耦合，即流场与结构场的耦合，表现为流体产生的压力加到结构上，而结构产生的位移和速度加到流体上，这就是流固耦合问题。●流体-结构的热耦合，即流体的流场、温度场与结构的温度场的

3、耦合，也就是耦合传热问题，也叫做共轭传热，涉及到流体与结构界面上的热边界条件(温度、热流密度)是由热量交散过程中动态地加以决定而不能预先规定的问题。●流体-结构-热耦合，涉及到以上5种耦合问题，即流体的流场及其温度场与结构场及其温度场的耦合，它是研究流体流动与传热、以及结构变形的综合问题，固体的小变形对流体流动和传热影响一般可以忽略，固体的大变形对流体流动和传热影响较大，不可忽略。对于散热器，人们对流体-热耦合、结构-热耦合研究较多，而对流固耦合、耦合传热研究较少，以下将针对流固耦合、耦合传热的一般问题进行叙述。2.耦合计算的难点及解决思路流固耦

4、合问题的明显特征是强非线性：不仅流体动力学方程本身是非线性的，而且流固耦合运动相互关联作用过程也是非线性的。求解流固耦合问题的数值解法有：整体的数值求解方法和交替的数值求解方法。最常用的整体方法求解[55-58]，但是由于将流体域和固体域的变量作为整体求解，方程规模庞大，数值求解计算量大，而且由于描述流体方程和固体方程在性质上有很大不同，给求解过程带来很大困难。交替求解方法是将流体和固体分成两个单独的求解域，在数值求解过程各时刻交替地求解这两个区域，并在交替求解过程中通过耦合界面进行有关物理量的传递从而达到不同求解域的相互耦合。交替求解法越来越受

5、到研究者们的重视，如PipernoS.andFarhatC.[59,60]针对气动弹性问题深入研究了交替算法，王少波等人[61]基于ANSYS商用软件研究了交替求解流固耦合问题。网格插值方法是流固耦合领域的重点和热点。大多数有实际意义的耦合问题都无法获得分析解，因而要求采用数值解法。数值解法可分为：(1)分区求解、边界耦合法，耦合边界上应满足三类边界条件中的任两类；对这种计算方法，迭代过程收敛的快慢主要取决于耦合边界上信息的传递；(2)整场离散、整场求解法，它是耦合传热问题的有效方法，这时把不同区域中的热传递过程组合起来作为一个统一的散热过程来求

6、解，不同的区域采用通用控制方程，区别仅在广义扩散系数及广义源项的不同，耦合界面成了计算区域的内部；采用控制容积积分法来导出离散方程时，界面上的连续性条件原则上都能满足，这样就省去了不同区域之间的反复迭代过程，使计算时间显著缩短。本文主要研究内容针对不同管型散热管及管内外流体为研究对象，应用现有的固体力学和流体力学计算软件，建立多物理场耦合数值计算模型和求解方法，为散热管的研究、设计开发提供有效的计算方法和手段，对提高散热器的综合性能、产品结构优化和开发提供依据。主要研究内容包括以下四个方面：1．选取散热器中散热管结构为研究对象，应用有限元方法对散

7、热管结构在考虑温度及压力载荷作用下进行数值计算，得到其结构温度场、应力场分布。同时对三种数值结果与理论结果进行对比分析。2．以散热管内外流体为研究对象，流体介质为不可压缩、层流、粘性、牛顿流体。基于有限元的有限体积法对结构进行离散，利用流体动力学软件CFX对模型中流体与温度之间耦合传热问题进行数值计算，得到管道与环空流体的温度、速度及压力分布情况。3．选取多种不同管型散热管及其内外流体为研究对象，建立流体-结构-温度多物理场耦合数值模型。利用ANSYS软件分别对流体耦合传热及结构应力问题进行数值计算，得到管程流体的温度、速度、压力分布，管程与壳程

8、流体进出口温差与压降规律，散热管内外表面温度、流体临近壁面温度与热流量之间的关系，得出散热管内外面表面的传热系数，分析各类散热管的散热性