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1、发动机水套流动及流固耦合发动机水套流动及流固耦合换热和应力分析换热和应力分析主要内容主要内容主要内容主要内容l概述概述流固耦合换热的概念和应用流固耦合换热的概念和应用CFDCFD求解耦合换热的案例及意义求解耦合换热的案例及意义利用利用STAR-CCM+STAR-CCM+进行发动机水套进行发动机水套CFDCFD分析分析l发动机水套流动和换热发动机水套流动和换热CFDCFD分析整体解决方案分析整体解决方案水套内纯流动问题水套内纯流动问题CFDCFD分析分析u六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动( (案例案例1)1)水套流固耦合换热水套流固耦合换热CFDCFD分析分析u单缸非等温定常流动
2、单缸非等温定常流动( (案例案例2)2)u单缸非等温热应力分析单缸非等温热应力分析( (案例案例3)3)流固耦合换热的概念和应用流固耦合换热的概念和应用流固耦合换热的概念和应用流固耦合换热的概念和应用流固耦合换热流固耦合换热-流体和固体之间的换热过程，也叫共轭换热流体和固体之间的换热过程，也叫共轭换热应用领域应用领域 汽车、化工、能源、动力、航空、航天等汽车、化工、能源、动力、航空、航天等CFDCFD求解耦合换热的案例及意义求解耦合换热的案例及意义求解耦合换热的案例及意义求解耦合换热的案例及意义发动机水套内流动发动机温度分布涡轮应用温度分布换热器CFDCFD求解耦合换热的案例及意义求解耦合换热
3、的案例及意义求解耦合换热的案例及意义求解耦合换热的案例及意义流体温度固体温度发动机排气歧管涡轮流动利用利用利用利用STAR-CCM+STAR-CCM+进行发动机水套进行发动机水套进行发动机水套进行发动机水套CFDCFD分析分析分析分析l为什么采用为什么采用STAR-CCM+STAR-CCM+？前处理前处理 包面的优势、方便的网格参数设置、自动化包面的优势、方便的网格参数设置、自动化的网格生成的网格生成网格特点网格特点 多面体网格的优势多面体网格的优势求解器求解器 高精度高精度后处理后处理 计算监控和后处理的一体化，实时显示计算监控和后处理的一体化，实时显示生成生成reportreport提供丰
4、富的关键参数提供丰富的关键参数reportreport生成功能，便生成功能，便于分析计算结果于分析计算结果利用利用利用利用STAR-CCM+STAR-CCM+进行发动机水套进行发动机水套进行发动机水套进行发动机水套CFDCFD分析分析分析分析l发动机水套的发动机水套的STAR-CCM+STAR-CCM+解决方案解决方案水套内纯流动过程模拟水套内纯流动过程模拟u主要考察整体压力损失和局部流动死区主要考察整体压力损失和局部流动死区水套流固耦合换热过程模拟水套流固耦合换热过程模拟u主要考察共轭换热情况，研究换热效率主要考察共轭换热情况，研究换热效率水套流固耦合热应力分析水套流固耦合热应力分析u主要主
5、要 考察水套固体热应力分布情况考察水套固体热应力分布情况利用利用利用利用STAR-CCM+STAR-CCM+进行发动机水套进行发动机水套进行发动机水套进行发动机水套CFDCFD分析分析分析分析l基本操作流程基本操作流程导入几何导入几何网格参数网格参数生成网格生成网格特征线特征线包面包面划分边界划分边界表面重构表面重构前处理模型边界物理模型物理模型边界条件边界条件求解设置求解设置计算监控监控参数监控参数后处理后处理生成生成Report执行计算执行计算按需执行六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动( (案例案例案例案例1)1)l几何模型的导
6、入几何模型的导入进口出口检查网格质量，如有必检查网格质量，如有必要，可进行包面处理。要，可进行包面处理。六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动( (案例案例案例案例1)1)l重新生成面网格重新生成面网格面网格尺寸面网格尺寸边界层边界层( (层数层数, ,厚度厚度, ,增长因子增长因子) )2 210mm10mm2 2层层,1mm,1.5,1mm,1.5六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动( (案例案例案例案例1)1)l生成多面体类型的体网格生成多面体类型的体网格网格数为5429
7、21；进出口拉伸层为10层 (总长度20mm)六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动( (案例案例案例案例1)1)l选择物理模型选择物理模型稳态计算稳态计算 湍流模型：湍流模型：K-EpsilonK-Epsilon壁面处理：壁面处理：Two-layerAlly+WallTreatmentTwo-layerAlly+WallTreatment求解器：求解器：SegregatedFlowSegregatedFlowl模型参数修改模型参数修改- -液态水的物理属性液态水的物理属性(80(80) )密度：密度：971.8kg/m3971.8kg
8、/m3动力黏度：动力黏度：3.551e-43.551e-4Pa.sPa.s六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动( (案例案例案例案例1)1)l边界条件及求解设置边界条件及求解设置进口：速度进口（进口：速度进口（2m/s2m/s）出口：压力出口出口：压力出口进出口拉伸层壁面：滑移壁面进出口拉伸层壁面：滑移壁面其它边界均按缺省设置给定其它边界均按缺省设置给定求解器参数按缺省设置给定（实际可根据具体情况设定）求解器参数按缺省设置给定（实际可根据具体情况设定）六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套
9、等温定常流动( (案例案例案例案例1)1)l后处理的相关设定后处理的相关设定建立三个截面，分别得到三个截面的速度标量云图建立三个截面，分别得到三个截面的速度标量云图在进口处做一个在进口处做一个reportreport（面积平均的压力），监控计算收敛（面积平均的压力），监控计算收敛情况情况AABCBC六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动六缸完整水套等温定常流动( (案例案例案例案例1)1)l结果展示结果展示A-AB-BC-C进口压力监控曲线单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动( (案例案例案例案例2)2)l几何模型的导入几何
10、模型的导入( (固体固体) )检查网格质量，如有必检查网格质量，如有必要，可进行包面处理。要，可进行包面处理。进水口出水口l边界划分边界划分单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动(案例案例2)实际模拟时，应仔细划分实际模拟时，应仔细划分边界，并按照实验结果尽边界，并按照实验结果尽量准确地给定边界条件量准确地给定边界条件进气道和排气道螺栓缸盖底1.缸盖底缸盖底2.进气道进气道3.排气道排气道4.上表面及侧面上表面及侧面5.螺栓孔螺栓孔6.其它其它l网格重构网格重构表面网格大小2-10mm单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动(案例案例2)单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动单缸非等
11、温定常流动( (案例案例案例案例2)2)l封闭流体域的进出口封闭流体域的进出口封闭两孔，边界分别命名为inlet和outlet单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动( (案例案例案例案例2)2)l通过拓扑分割将流体和固体区域分开通过拓扑分割将流体和固体区域分开固体区域流体区域单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动( (案例案例案例案例2)2)l生成多面体类型的体网格生成多面体类型的体网格边界层边界层( (层数层数, ,厚度厚度, ,增长因子增长因子) )2 2层层,1mm,1.2,1mm,1.2进出口拉伸，拉伸长度进出口拉伸，
12、拉伸长度10mm10mm不考虑沸腾不考虑沸腾不考虑沸腾不考虑沸腾单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动( (案例案例案例案例2)2)l流体域物理模型流体域物理模型稳态计算稳态计算 湍流模型：湍流模型：K-EpsilonK-Epsilon壁面处理：壁面处理：Two-layerAlly+WallTreatmentTwo-layerAlly+WallTreatment温度：温度：SegregatedFluidTemperatureSegregatedFluidTemperature求解器：求解器：SegregatedFlowSegregatedFlowl固体域物理模
13、型固体域物理模型稳态计算稳态计算温度：温度：SegregatedSolidEnergySegregatedSolidEnergyl模型参数修改模型参数修改液态水密度：液态水密度：971.8kg/m3971.8kg/m3液态水动力黏度：液态水动力黏度：3.551e-43.551e-4Pa.sPa.s液态水导热系数：液态水导热系数：0.674W/0.674W/m.Km.K固体材料：不锈钢固体材料：不锈钢可以给定物性为温度的函数不考虑沸腾不考虑沸腾不考虑沸腾不考虑沸腾单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动( (案例案例案例案例2)2)l流体边界条件流体边界条件进口：
14、速度进口（进口：速度进口（4m/s4m/s，353K353K）出口：压力出口出口：压力出口l固体边界条件固体边界条件缸盖底：环境温度缸盖底：环境温度700K700K，换热系数，换热系数450W/m2.K450W/m2.K进气道：环境温度进气道：环境温度320K320K，换热系数，换热系数300W/m2.K300W/m2.K排气道：环境温度排气道：环境温度550K550K，换热系数，换热系数380W/m2.K380W/m2.K上表面及侧面：环境温度上表面及侧面：环境温度340K340K，换热系数，换热系数100W/m2.K100W/m2.K其它：缺省设置（绝热）其它：缺省设置（绝热）单缸非等温定
15、常流动单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动单缸非等温定常流动( (案例案例案例案例2)2)l结果展示结果展示固体温度固体温度流体温度流体温度单缸非等温热应力分析单缸非等温热应力分析单缸非等温热应力分析单缸非等温热应力分析( (案例案例案例案例3)3)l固体域物理模型固体域物理模型稳态计算稳态计算温度：温度：SegregatedSolidEnergySegregatedSolidEnergySolidstressSolidstressLinearIsotropicElasticLinearIsotropicElasticl边界条件界条件螺栓孔螺栓孔 FixFix缸盖底缸盖底 NormalDisp
16、lacementNormalDisplacement其他默其他默认单缸非等温热应力分析单缸非等温热应力分析(案例案例3)l结果展示结果展示考虑沸腾考虑沸腾考虑沸腾考虑沸腾单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动( (案例案例案例案例4)4)l考虑沸腾模拟，网格仍采用案例考虑沸腾模拟，网格仍采用案例2 2的模型，固体的模型，固体区物理模型不变，流体域物理模型为区物理模型不变，流体域物理模型为: :瞬态计算：瞬态计算：ImplicitUnsteadyImplicitUnsteady BoilingBoilingSurfaceTensionSurfaceTension
17、GravityGravity湍流模型：湍流模型：K-EpsilonK-Epsilon壁面处理：壁面处理：Two-layerAlly+WallTreatmentTwo-layerAlly+WallTreatment温度：温度：SegregatedMulti-PhaseTemperatureSegregatedMulti-PhaseTemperature求解器：求解器：SegregatedFlowSegregatedFlowMulti-PhaseEquationofStateMulti-PhaseEquationofStateVolumeofFluid(VOF)VolumeofFluid(VOF)
18、EulerianEulerianMultiphaseMultiphaseMulti-PhaseMixtureMulti-PhaseMixture考虑沸腾考虑沸腾考虑沸腾考虑沸腾单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动( (案例案例案例案例4)4)l固体边界条件同案例固体边界条件同案例2 2，流体边界条件为，流体边界条件为进口：速度进口（进口：速度进口（4m/s4m/s，353K353K，VolumeFractionofWaterVolumeFractionofWater：1.01.0）出口：压力出口（出口：压力出口（ VolumeFractionofWaterV
19、olumeFractionofWater：1.01.0 ）l初始条件：初始条件：流体速度：流体速度：0m/s0m/s流体流体/ /固体温度：固体温度：353K353K流体区流体区VolumeFractionofWaterVolumeFractionofWater：1.01.0 l求解参数求解参数时间步长：时间步长：0.1s0.1s计算时间：计算时间：100s100s其它参数按默认设置其它参数按默认设置考虑沸腾考虑沸腾考虑沸腾考虑沸腾单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动( (案例案例案例案例4)4)l后处理的相关设定后处理的相关设定建立建立VOFVOF的等值面
20、，可基于此等值面显示其它标量（如压力）的等值面，可基于此等值面显示其它标量（如压力）的云图，以此来观察气泡的产生。的云图，以此来观察气泡的产生。考虑沸腾考虑沸腾考虑沸腾考虑沸腾单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动( (案例案例案例案例4)4)输出流体跟固体界面的换热系数输出流体跟固体界面的换热系数考虑沸腾考虑沸腾考虑沸腾考虑沸腾单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动( (案例案例案例案例4)4)l结果展示结果展示(t=21.5s)(t=21.5s)流体温度流体温度等值面压力等值面压力(iso value=0.2)考虑沸腾考虑沸腾考虑沸腾考虑沸腾单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动单缸非等温瞬态流动( (案例案例案例案例4)4)固体固体/流体界面换热系数流体界面换热系数水蒸气的体积含量水蒸气的体积含量
