flowmaster进行发动机散热冷却系统的模拟分析.pdf
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1、11概述.311 仿真目的.312 系统概述.313 仿真要求.32冷却系统原理.43冷却系统模型.631 Flowmaster 建模过程.6311 建模的原则.6312 复杂系统的建模.6313 建模、分析过程.632 理论基础.10321 流动阻力方程.10322 质量守恒方程.10323 压力损失方程.10324 换热方程.11325 整体求解.1133 建模过程.12331 发动机本体的建模.13332 温度控制阀的建模.17333 水泵的建模.19334 换热器的建模.21335 水箱的建模.23336 管道、弯头、三通等部件的建模.25337 阀门的建模.27338 过滤器的建模.
2、28339 边界条件的处理.2834 主要参数.294分析结果.3141 压力分布.3142 流量分布.3343 温度分布.3544 与实验结果对比.3845 需进一步展开的工作.395结论.40附录一常用材料的发射率.41附录二元件参数.421 发动机水套参数.422 水泵参数.433 换热器参数.434 阀门(含温控阀)参数.445 管道参数.446 损失元件参数.457 边界条件参数.47附录二 仿真结果.4821冷却系统压力分布.482冷却系统温度分布.503冷却系统流量分布.5131概述1 11 1 仿真目的仿真目的针对某发动机,采用 Flowmaster 软件进行冷却系统的仿真计算
3、,得出系统热负荷情况,详细分析整个冷却系统中压力、流量及温度的分布情况,从而为冷却系统的优化设计提供理论依据。1 12 2 系统概述系统概述某柴油机为中型船舶用推进动力发动机,直列 6 缸,功率约 2500kW。1 13 3 仿真要求仿真要求利用 Flowmaster 仿真软件,建立 6 缸柴油机冷却系统的仿真模型,模型应能够满足对整个流体系统进行分析的要求;根据提供的柴油机运行工况和其他必要的参数,利用 Flowmaster 对一款柴油机冷却系统进行仿真分析,并对冷却系统的流量分配及压力、温度分布等进行分析和评估;提交柴油机冷却系统的仿真分析流程和元件模型特点和应用方法、模型选择和组合应用的
4、基本原则及仿真分析过程参数设置的方法等说明文档;提供柴油机冷却系统瞬态分析建模和参数分析方法,以及一维、三维和多学科优化软件的耦合分析的方法说明,并提供一个应用示例;仿真分析软件采用 Flowmaster V6.5 版本;提交的仿真分析等报告的格式和内容需满足甲方的要求。42冷却系统原理发动机的冷却系统对发动机平稳工作非常重要,冷却系统可以保证缸头和机体的温度维持在一定范围内,一旦温度过高,可能会导致拉缸,同理,如果温度过低,会使润滑油粘度增加,发动机运动构件的摩擦阻力增加,发动机有效功降低。只有温度在一个比较合适的范围内时,发动机才能平稳地、高效地运行。不同的发动机,冷却系统的构成可能会有所
5、不同,但基本原理是相同的,冷却系统的基本工作原理为:冷却水泵将循环冷却水压入发动机内,冷却水经过发动机冷却水套,吸收热量,温度上升,然后冷却水流出机体,进入换热器,与另一路流体在此进行热交换,温度降低,流回冷却水泵,再次被压入发动机水套。冷却水就是这样不断地循环,不断地进行吸热、放热的过程,使发动机维持恒定温度的。要使发动机工作在合适的温度下,必须对冷却水在机体外部的散热量进行控制,因此,在发动机出口设置温度控制调节阀。它的入口只有一个通道,而出口有两个通道,出口的一个通道通往换热器,称为大循环;另一路通道则不经过换热器,而是直接通往冷却水泵入口,称为小循环。温度控制调节阀通过调节流过两条支路
6、的流量,来保证水泵入口的温度,从而使发动机维持在工作温度。由于船舶一直行驶在水中,因此对于船舶发动机冷却系统来说,利用外部水源非常方便。但是,外部水源的水质不满足发动机冷却水水质的要求,所以,船舶发动机的冷却系统设置成多级冷却。如图2-1 所示,为某六缸发动机的冷却系统原理图。整个冷却系统分为高温回路、低温回路与海水支路三个系统。其中高温淡水与低温淡水系统为闭式循环,而海水系统为开式系统。图 2-1冷却系统原理图注:图中粗实线为柴油机内部管道系统测量装置;细实线为动力装置管系;点划线为海水管系。表 2-1 为冷却系统原理图中相应部件的名称。直接与发动机换热的冷却水称为高温系统。高温系统中,气缸
7、两侧分别有进、出水总管,总管连接,冷却水能够通了各气缸水套过总管分别进入各缸进行换热。冷却水流出发动机后经温控阀 FR1 后,一部分经小循环流回循环水泵入口,一部分经过高温淡水换热器 FH1,再流至循环水泵入口,两部分水进入循环水泵前混合,经循环水泵后,被压入增压空气中间冷却器高温级换热器 CH1,吸收增压空气的热量后,进入发动机冷却水套中。不直接与发动机水套进行换热的淡水系统称为低温系统。低温系统中的冷却水经由水泵压出,进入增压空气中间冷却器低温级换热器 CH2,吸热后温度上升,再流入润滑油冷却器 LH1,温度再次升高,而后流入低温淡水换热器 FH2进行换热,释放热量,温度降低,又回到低温淡
8、水泵FP2,再次被加压压入增压空气中间冷却器低温级 CH2。对于海水系统,为一开式系统。海水经由海水阀 ST1 后,被吸入系统,经过滤器 SF1 后,被海水泵 SP1 加压,依次压入低温淡水换热器 FH2 与高温淡水换热器 FH1,然后再流回大海。表 2-1冷却系统设备名称编号CH1设备名称空气冷却器高温部分编号FT2设备名称膨胀水箱(低温)5CH2CR1CR3FH1FH2FH3FP1FP2FP5FP6FP7FR1FR2FT1空气冷却器低温部分增压空气温度控制阀增压空气温度控制阀用传感器淡水冷却器(高温)淡水冷却器(低温)淡水预热器淡水泵(高温)淡水泵(低温)淡水备用泵(高温)淡水备用泵(低温
9、)预热泵温度控制阀(高温)温度控制阀(低温)膨胀水箱(高温)SF1SP1SP2ST1TC1LH1PIPSLPTTITSHTTLILSL海水过滤器海水泵海水备用泵海水阀增压器滑油冷却器压力表压力低开关压力传感器温度表温度高开关温度传感器液位计液位低开关63冷却系统模型3 31 Flowmaster1 Flowmaster 建模过程建模过程311 建模的原则(1)所建模型要能够真实地反映出实际系统的特点和行为;(2)根据部件类型,在元件库中选择最合适的部件来建立模型,且部件要全,不能遗漏;(3)所建模型中的部件要与实际系统中的部件一一对应;(4)对系统影响较小的部件,如一些弯头的流动阻力对系统压力
10、的影响,管道的散热对系统温度的影响等,可以进行适当的简化,关键部件和对系统影响较大的部件不可进行简化;(5)各元件的参数要与系统中各部件的参数一一对应,且要全面;(6)各元件的参数要能准确反映系统中相应部件的几何特征与性能表现;(7)环境设置要准确;(8)分析类型要与系统的行为相一致;(9)为保证计算的精度和计算时间、计算数据量,可以适当修改收敛因子、输出数据等;312 复杂系统的建模对于某发动机的冷却系统,部件很多,结构较复杂。通常我们对于复杂的系统,进行分块建模。因此,在某发动机的冷却系统建模过程中,将整个系统拆分为以下几部分:(一)高温淡水系统(二)低温淡水系统(三)海水系统313 建模
11、、分析过程根据冷却系统原理图与实物图,了解系统的工作原理、构成;对于实际系统中的部件,要考察在 Flowmaster 中是否都有对应的部件,若无对应元件,考虑如何进行合理简化或自定义元件;在 Flowmaster 软件中选择相应的元件,并按工作原理将其依次连接;根据建立的模型,列出分析所需要的参数,并收集这些参数;将参数输入到软件中,并作认真核对检查,设置合理的分析类型及分析条件,进行仿真;对仿真结果进行分析。如有不合理之处,分析原因,并作适当调整。根据冷却原理图及相关图纸、图片,在 Flowmaster 软件中搭建冷却系统网络模型,如图 3-1 和图 3-2 所示。其中相关设备的名称见表 2
12、-1。7表 3-1 Flowmaster 冷却系统元件名称编号CH1CH2FH1FH2FP1FP2设备名称空气冷却器高温部分空气冷却器低温部分淡水冷却器(高温)淡水冷却器(低温)淡水泵(高温)淡水泵(低温)编号FR1FR2FT1FT2SP1LH1设备名称温度控制阀(高温)温度控制阀(低温)膨胀水箱(高温)膨胀水箱(低温)海水泵滑油冷却器图 3-1 机体冷却水套模型图 3-1 为机体水套冷却模型,发动机各缸单独通水,机体两侧各有一根汇水总管,对各缸的冷却水进行分配与汇集,各汇水总管通过三通元件,将冷却水分配至各缸。各缸冷却热,一部分通过机体表面散失,一部分通过冷却水套进行对流换热。在建模时,以
13、heat flow source 元件代表各缸冷却热,通过机体内的固体结构 solid bar 元件,传至机体表面进行对流 convection 与辐射换热 radiation,另外,以质点元件 mass point 来代表机体的热容,冷却热中另一部分通过 solid bar传给 thermal bridge 元件,与冷却水进行换热。冷却水在流经各缸水套时,既有换热又有流阻,因此,在建模时以 DL 元件代表流动损失,以 thermal bridge 元件代表换热;其中各缸编号如图 3-1 所示。图 3-2 机外部件模型8图 3-2 为机体外部设备冷却模型,最外层的循环是与发动机直接进行换热的高
14、温回路;内层的循环为低温回路;右侧纵向管路为海水支路冷却系统;另外,模型中还有增压空气支路与滑油支路。增压空气支路与海水支路将高温回路与低温回路串在了一起。建模过程中,以实际部件的连接顺序进行连接,例如,对于高温回路,冷却水出机后先后通过管道、调温阀、高温淡水换热器、管道水泵、增压空气中间冷却器高温级,然后再进入机内。在整个系统中,有些管段中既有直管,又有弯头,在建模中采用了简化的方法,将直管段长度相加,将弯头的流动损失相加,以DL 元件代替,在管段非重点分析对象时,这种简化方法是非常适宜的。同理,对于低温回路及海水支路采用相同的方法进行建模。9图 3-3 Flowmaster 冷却系统模型1
15、03 32 2 理论基础理论基础Flowmaster 元器件库中提供了丰富的元件,并在帮助文档里附有的详细数学模型,可供工程师查阅,公开的数学方程也为工程师进行二次开发提供了便利。通过这些数学模型,Flowmaster 不仅可以描述具体的真实部件,而且可以对特性相同的新元件进行开发。而对于整个流体系统,须满足以下方程。321 流动阻力方程p1 p22u2(3.2-1)式中p1、p2分别为元器件进、出口的压力,bar;元器件的沿流动方向的流动损失系数,即 1、2 流通时的损失系数;流体的密度,kg/m3;u流速,m/s;322 质量守恒方程Q A1u1 A2u2(3.2-2)式中u1、u2流速,
16、m/s;A1、A2元器件边界处的面积,m2;上式的含义为:系统中各处的流量相等。323 压力损失方程p (p1v122)(p2v222)g(z1 z2)(3.2-3)式中下标 1、2 分别表示上、下游的位置;p静压力,Pa;v22动压力,Pa;z该位置中心处的标高,m;上式的含义为:流体流经元器件的压力损失等于进、出口的全压(静压力+动压力)差与高度差压头的和。此方程可以对系统中任意两处位置进行分析。11324 换热方程T2T1Q(3.2-4)cpm式中T2元件出口的温度,;T1元件进口的温度,;Q在该元件处流体吸热/放热的功率,kW;m流体的质量流量,kg/s;cp流体的定压比热,kJ/kg
17、K。上式的含义为:元器件进出口的温差等于流体在该元件处的换热量除以流体的质量流量与定压比热的商,即遵循能量守恒原则。Flowmaster 模型完全可以对流动、压力、传质传热等物理现象进行比较准确的建模。基于相同的数学模型,可以方便地通过 Flowmaster 通用模型参数对新元件进行描述,使得 Flowmaster 的应用范围不仅仅局限于元件库中的元件。另外,Flowmaster 的二次开发功能为工程师提供了一个简单而强大的模型描述手段,仅通过几个方程,便可以描述满足工程师要求的模型。325 整体求解Flowmaster的求解是基于矩阵求解来对整个模型进行求解的。如图3-4所示,为某一简单网络
18、示意图。图 3-4 简单网络模型对于模型中的每个元件都可以建立线性方程,如下:元件 1:12元件 2:元件 3:通过以上各元件的流量方程,可以对各个节点建立质量守恒方程:节点 1:节点 2:节点 3:节点 4:对于各节点的质量方程,可以统一用一个矩阵的形式来表示,如下:对于图 3-4 中的网络模型,其分析矩阵为:其中,矩阵中的各系数由相应元件的参数决定。在对整个网络系统模型进行求解时,会采用设置的初始流量进行求解,当完成第一次求解后,得到了各节点的压力,而后再通过压力可以求得一个新的流量,因此,矩阵中的各系数会被修改,需要再次求解。对于整个网络模型的求解过程,就是通过这样的往复迭代过程实现的,
19、直到所有结果都达到预先设定的残差时,迭代中止,计算完成。3 33 3 建模过程建模过程冷却系统分析是 Flowmaster 在发动机应用中最成熟的一个方面,现在Flowmaster 已被众多发动机厂商所采用。此发动机冷却系统中部件较多,较为复杂,按元件类型或局部构件可以分为以下几类:(1)发动机本体;(2)温度控制阀;13(3)水泵;(4)散热器;(5)水箱;(6)管道、弯头、三通等局部构件;(7)阀门、节流孔等局部构件;(8)过滤器;(9)边界条件;下面对各模型进行详细的描述。331 发动机本体的建模发动机冷却水套是最为复杂的部件。机体与气缸盖在空间上是不对称的,这样就使得模型简化非常困难。
20、对于发动机本体的冷却水套模拟,通常采用的是三维 CFD 模拟,但它仅仅是模拟发动机内部,而对于外部的水泵、换热器、温度控制阀等无法精确模拟。此种情况下,采用一维流体系统分析软件 Flowmaster与 CFD 软件联合仿真的方法来精确模拟发动机冷却系统,是一种最好的方法。在一维流体系统的仿真中,Flowmaster 对发动机本体的模拟采取的是换热与流动损失分别计算的方式,即通过流动损失元件来代表发动机冷却水套的流动阻力,用换热元件来模拟发动机水套与冷却水之间的换热。对于复杂的发动机冷却水套的换热及流动过程,可以通过几种不同的方法来模拟。如图3-5 所示,为某车用发动机冷却水套的三种建模方法。图
21、 3-5 某车用发动机冷却水套模型根据不同的要求,可以建立不同的模型。若机外部件是关注的重点,那么可以建立图 3-5 中左侧所示的模型;若要对水套内不同位置的温度及流量分布,那么可以建立图 3-5 中右侧所示的精细模型。在某冷却系统分析中,采用的是较为简化的模型,如图 3-6 所示。14图 3-6 Flowmaster 发动机模型图 3-6 中左侧元件 1 表示的是发动机燃料燃烧产生的热量中,除去有效功、机械损失功和排气余热外的热量,即发动机机体散失的热量与传给冷却水套的热即发动机机体散失的热量与传给冷却水套的热量量;元件 2、3 表示的是发动机内部的固体结构,元件 2 表示的是气缸至冷却水套
22、的机体部分,元件 3 表示的是气缸至发动机表面的机体部分;元件 4 表示的是发动机机体与空气的对流换热对流换热;元件 5 表示的是发动机机体与空气的辐射换辐射换热热;元件 6 用来表示发动机机体的质量;元件 7 表示的是水套对冷却水流动的阻力;元件 8 表示的是气缸盖、冷却水套的固体壁面与冷却水之间的换热。发动机的总热量的分配情况,可表示为QT=QE+QS+QR+QB+QL(3.3-1)式中:QT 燃料完全燃烧放出的总热量;QE转化为有效功的热量;汽油机 20%-30%,柴油机 30%-40%QS传给冷却介质的热量;汽油机 25%-30%,柴油机 20%-25%QR废气带走的热量;汽油机 40
23、%-45%,柴油机 35%-40%QB不完全燃烧的热量损失;QL其它损失;汽油机 8%,柴油机 10%。减少各种能量损失,即可提高发动机的效率。冷却热损失 Qs 是柴油机各项热损失中所含热量较大但可利用程度较差的;而目前在船用柴油机中废热利用最好的是排气热损失。下面对模型中的元件进行详细描述。Heat Flow Source/热源元件:在此模型中,它代表的是燃料完全燃烧放出的总热量中除去有效功、机械损失功、不完全燃烧热和排气余热外的热量,即发动机机体散失的热量与传给冷却水套的热量即发动机机体散失的热量与传给冷却水套的热量。此元件作为边界条件元件使用。参数设置:Heat Flow Rate/热功
24、率:必填参数。可以是常数(稳态分析),也可以是随时间变化的量(瞬态分析)。Solid Bar/固体导热棒:该元件代表了固体内部的导热情况,将实际物体简化为一固体导热棒,在导热棒内插入若干个节点,可表示其温度分布的非线性。编号为 2 的导热棒表示的是气缸至冷却水套的机体部分;编号为 3 的导热棒表示的是气缸至发动机表面的机体部分;参数设置:Material Type/材料类型:必选参数。软件会根据材料类型自动设置导热系数,15比热等参数。材料类型也可自定义。Length/长度:必填参数。两换热位置间的距离,对于复杂的机体,近似取平均值。Cross Section Area/截面积:必填参数。Pe
25、rimeter/周长:选填参数。用于自身与外界的换热计算。Heat Transfer Coefficient/传热系数:选填参数。可以为常数(用于稳态分析和瞬态分析),也可以是温度的函数(主要用于瞬态分析)。Surface Emission/表面发射率:选填参数。可为常数(用于稳态分析和瞬态分析),也可以是温度的函数(主要用于瞬态分析)。Local Ambient Temperature/环境温度:选填参数。周长、传热系数、表面发射率与环境温度是用来考虑元件本身的热损失。计算公式:kq A(T2T1)L(3.3-2)式中q单位时间内的导热量,W;k导热系数,W/mK;L导热棒的长度,m;A沿热
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