基于模型的内燃机冷却水腔内数值模拟分析

0 引言

基于RPI模型的内燃机冷却水腔内数值模拟分析，主要对冷却系统在运行过程中，缸盖鼻梁区出现换热方式不当等问题加以解决，特别是内燃机冷却系统在新技术应用基础上，运行始终处于高负荷状态，这样一来就需要提高换热效率。但是在实际冷却中，因为受热零部件超长时间运行，热负荷变化明显，尤其是气缸盖以及活塞等部位，造成内燃机冷却系统出现异常，运行效率明显下降，甚至影响到内燃机运行安全。在这种情况下必须加大对内燃机冷却水腔内数值模拟分析，结合RPI模型，总结出更有效的处理与优化方案。

1 内燃机冷却水腔内数值模拟分析现状

内燃机作为工业生产的重要设备，内燃机运行冷却处理至关重要。内燃机冷却水腔内数值模拟分析一直是国内外学者研究的对象，特别是其中的内换热状态相关实验。针对内燃机鼻梁区以及活塞部件等方面频繁受到高热负荷的影响出现运行异常，董非，苑天林等对此进行核态沸腾研究，并且合理规划核态沸腾区域，为后续冷却处理明确方向[1]。内燃机运行中，缸盖受到水腔结构的影响，加上缸盖本身内部结构复杂，封闭处理特殊，单纯采用缸盖冷却水研究的方式对沸腾换热问题解决无法实现，并且消耗较高成本。基于此武志伟结合冷却水腔内沸腾换热影响展开模拟研究，利用CFD数值模拟的方式转换出Chen模型，除此之外还得出BDL模型[2]。陈雪飞，秦国良等人就BDL模型进行完善优化，很大程度上将计算精度提高[3]。模型优化中涉及大量半经验公式以及数据等，不断改善模型分析问题，打破分析局限，尤其是RPI两相流模型的应用，采取气泡成核密度以及分离直径等理论，准确分析两相流运行状态，通过流动状态的总结，对内燃机冷却水腔内数值模拟精确分析。根据两相流沸腾研究，对其中气泡形状加以计算，对两相流分布有效统计，科学改善内燃机冷却问题。

2 创建内燃机冷却水腔内沸腾传热数学模型

内燃机冷却水腔内数值分析中，必须及时创建沸腾传热数学模型，具体涉及到欧拉模型、壁面沸腾传热模型、沸腾气泡行为子模型、湍流模型等。

2.1 欧拉模型分析 基于内燃机冷却问题剖析，积极创建欧拉模型，并且根据能量方程，找到其中的连续性。其中连续性方程（1），动量方程（2），能量方程（3）。

此次计算中，涉及到速度矢量vq；相同条件下冷却系统的质量转移m˙pq、m˙qp；壁面耗散力以及浮升力Fwl，q、FliFt，q；虚拟质量力与外部体积力Fvm，q、Fq；质量源相与应力应变张量Sq、τ=q；湍流离散力与压力、热通量Ftd，q、p、qq；原项与相间焓、比定压热熔Sq、Qpq=-Qqp、hq；相间热交换强度Qpq。

2.2 沸腾气泡行为子模型分析 通过对内燃机冷却系统的研究，配合欧拉模型，积极研究沸腾气泡行为子模型，其中涉及到脱离直径、密度、脱离频率、等待时间等元素。其中气泡脱离直径模型的创建，主要选择Tolubinsky研究所得的公式（4）。

计算公式中主要涉及到气泡的参考直径d0，取值0.0006m，同时还需要掌握饱和温度，由此得出气泡的脱离直径。

气泡成核密度模型涉及到的公式（5），主要涉及到两个数值，n=1.805，m=210。因为其属于经验关联式，所以在具体应用中还要参考内燃机冷却具体情况。脱离频率模型公式为（6），涉及到液相密度、气相密度，具体为pl，pg，单位为kg/m3。

除此之外还涉及到气泡等待时间的模型设计，主要选择Kurl推荐公式（7）。

2.3 壁面沸腾传热模型分析 对于壁面沸腾传热模型的创建，由RPI模型衍生而来，基本理论主要参照Judd等的研究。结合内燃机冷却系统运行中，流道受到温度变化影响，壁面会不定期出现沸腾现象，这期间便需要计算总热通量Qw，涉及到的计算条件主要包括蒸发项热通量，由Qe表示，流项热通量，由Qc表示，激冷项热通量，由Qq表示。具体计算关系见式（8）、式（9）、式（10）、式（11）。

计算公式中，作为计算必备条件，必然会涉及到液相比热容Cpl，无量纲温度气相成核密度n”，液相密度ρl，常数FA，无量纲距离Y+，液相温度Tl取值为250，气泡脱离频率f，气泡脱离直径dw，气泡等待时间tw，液相汽化替热hlg，气泡分离接触分度Tquench。

2.4 湍流模型分析 基于RPI模型的内燃机冷却水腔内数值模拟分析中，湍流模型分析主要因为内燃机运行期间，冷却系统的水腔位置热负荷较大，本身冷却道设计便比较繁琐，一旦冷却系统运行速度流速加快的情况，整个系统就会处于湍流状态，这种情况就会影响到腔内数值变化，因此必须创建湍流模型。以Realizable k-ε为基础，得到内燃机冷却系统的湍流能k湍流耗散率ε，具体公式为式（12）、式（13）。

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