Ansys 案例研究 | 空气冷却式摩托车发动机分析 原创

概述：

风冷式发动机在摩托车和航空飞行器中较为常见。它通过空气循环的方式将发动机产生的热量进行散失。金属散热片的结构设计增大了发动机的表面积，从而通过对流方式提升了散热速率。本案例利用模拟技术比较了三种不同设计在散热效率方面的差异。这有助于加深对瞬态热分析、边界条件(瞬态热分析中的重要因素)以及瞬态热分析如何帮助我们做出工程决策的理解。

目标：

增强对瞬态热分析的理解

学习如何使用仿真来驱动工程决策

步骤：

设计(a)

1、创建一个瞬态热分析系统。几何体中将使用默认的结构钢。

2、导入几何体。设计(a)的几何体如图1所示，由圆柱和若干水平鳍片组成。

图1  设计(a)的几何结构

3、将几何体网格化。使用“多区域”方法对鳍片进行网格化。分配全局网格尺寸为5毫米。

4、定义分析设置。定义两步法，第一步用于将初始温度施加至气缸上，第二步则利用对流边界条件对气缸进行降温。设计准则旨在找出50秒时的最高温度，因此第二步的总模拟时间为51秒，而第一步的时间则为1s。

5、分配边界条件。将圆柱体温度设置为在0-1秒内保持在120℃，并解除此边界条件以允许温度变化。第二步是变化。对发动机外表面(不包括气缸的上下面)施加对流边界条件。对流系数设为1000W/(㎡﹒°C)以表示强制空气。环境温度设定为22℃。边界条件概述见图2。关于外表面的选择，值得注意的是，共享表面不能用于应用对流边界条件。更多信息请参阅附录。

图2 边界条件示意图

6、运行模拟程序并查看结果。时间51秒时的温度分布图如图3(a)所示，而最大温度历史图则如图3(b)所示。可以看出，经过50秒的冷却后，最大温度约为28℃。

图3(a)  冷却50秒后的温度分布

图3(b)  最大温度历史图

设计(b)

7、在 Workbench 中复制分析系统，并替换其几何结构。设计几何形状（b）如图 4 所示。它具有相同的鳍形结构，但鳍的数量较少。

图4  空气冷却式发动机的设计（b）



8、确定边界条件并运行模拟。

设计(c)

9、重复步骤7-8，但使用设计(c)的几何形状。设计(c)几何形状的示意图如图5所示。相应的结果如图7(a)和7(b)所示。

图5  空气冷却式发动机的设计(c)

由于质量被用作评估设计的标准，因此我们需要计算出该几何体的质量。这一信息已汇总在相应几何体的属性详情中，如图6所示。

图6  几何属性

本案例比较了三种不同设计下发动机冷却所需的时间，演示了瞬态热分析的过程。通过模拟来寻找解决方案并推动工程决策的制定。

附录：

鳍片和圆柱体是彼此独立的部件，它们在共同表面上共享拓扑结构(图7)。在ANSYS Mechanical中进行箱选操作时，它会选择箱内所有表面，包括内表面和共享表面。共享表面无法用于对流边界条件中，因此在执行此类操作时会出现错误提示。

为了高效的选择垂直鳞设计中的所有外表面(而不是逐个点击)，我们采用了命名选择方法。首先，创建一个圆柱形局部坐标系(见图8(a))，其z轴与圆柱轴对齐。其次，创建名称选择，并使用两条规则选择外层面(见图8(b))。所选面如图8(c)所示。

图7  共享曲面

图8(a)  创建一个圆柱形局部坐标系

图8(b)  用于选择外表面的命名规则

图8(c)  外部表面的示意图

图8为创建名称选择的步骤

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