近年来，为满足发动机低排放、轻量化、高功率密度等要求，高压共轨、废气再循环等技术不断升级，这使得作为发动机心脏的活塞其热负荷急剧增加。过高的活塞温度会带来一系列问题，如材料强度急剧下降，裙部翘曲拉缸，机油结焦导致活塞环卡死，温差过大产生低周疲劳，另外顶面温度过高还会降低充量系数，诱发早燃，进而出现顶部烧蚀以及发动机功率不足、油耗增大、有害排放物增加等现象，因此亟需采取有效措施降低活塞温度。

应用于活塞冷却的方式包括空气自然冷却、喷油冷却等。其中喷油冷却包括内腔喷油冷却和内冷油腔冷却，冷却效果好，是常用的两种冷却方式。对于喷油冷却的研究，研究人员主要通过数值模拟分析方法、实验分析方法以及两者相结合的方法。

数值模拟可以替代部分试验，快速进行设计选型，缩短研发周期，降低研发成本。

喷油冷却数值模拟面临以下技术挑战：

1. 仿真有赖于精确稳定的多相流模型。活塞喷油冷却是极其复杂的气-液两相流强化传热过程，气液两相分布、速度、含气率等对流体流型、导热能力等具有决定性作用。

2. 流固耦合传热时间尺度跨度大。活塞固体热惯性大，温度达到稳定的时间长，在分钟级别；流体部分热惯性小，达到稳定时间在秒级别。若直接进行流固热耦合计算，计算量庞大，难以满足工程研发周期。

3. 如何构建合理的网格模型。

   ▪  设置合理的加密区域、边界层网格尺寸，以能准确捕捉气液界面以及流固换热边界层效应；

   ▪  定义活塞的往复运动的动网格模型。

Simerics公司长期服务于汽车行业，深入融合到客户业务之中。客户反馈现有的活塞喷油冷却数值模拟方案与流程规范存在较大局限性，不能满足研发需求。经与客户充分交流、验证后，Simerics公司推出了活塞喷油冷却仿真模板，即Piston Cooling Template。

该方案具有以下技术特点及优势：

活塞固体热惯性大，曲轴每转一周温度变化小，可采用稳态求解，计算收敛后将壁面温度传递给流体；流体部分采用瞬态求解，曲轴每转一周采集一次平均数据，并将热流密度数据传递给固体。采用该松耦合方式，活塞往复10~20次即可得到稳定解，成功解决计算周期问题

通过Simerics-MP+内置的Piston Cooling Template来建模，可大大减少工程师的建模时间，降低设置难度。

该模板主要功能包括：

• 内置网格经验参数，设置合理的网格模型，包括网格运动定义；

• 自动实现流固模型数据传递；

• 内置模型设置向导，引导用户建模。

Piston Cooling Template适用于各种各样结构的活塞，内腔喷油冷却和内冷油腔冷却活塞均适用，喷嘴喷射方向既可以与活塞运动方向一致，也可以不一致。

模型可不做简化，考虑全部结合细节、精确考虑多相流换热、考虑活塞运动与喷嘴的相对位置。

下图为NT活塞流体部分结果，可以看到，随着活塞由上止点向下止点运动，喷嘴喷出的油与活塞内腔的接触面积增大，相应的热流密度也变大。

为了验证仿真结果的准确性，对三个活塞的温度进行了实地测量，并与仿真结果进行对比。每个活塞布置15个测点，并分别位于活塞顶、活塞冠、活塞环等位置，如下图所示。

由以上对比可知，仿真结果与实验结果高度吻合，部分点的温度绝对误差在1℃，最大绝对误差在15℃。曲线中圆圈标注位置为活塞顶部测点，被业界公认为最难预测的点，采用Simerics-MP+的仿真结果与实验结果高度一致。

合工仿真-Simerics-MP+培训视频合辑目录

Simerics-MP+/PumpLinx是美国Simerics公司开发的一款建模高效、计算快速、结果准确、简便易用的专业化CFD软件。它可以更好地服务于工程设计，协助工程师用更短的周期、更低的成本改进产品设计。基于模板化技术，面向各行业的垂直应用，Simerics先后发布了流体机械版（即PumpLinx），以及汽车版、船舶版等各行业的专业CFD解决方案。为了更好的服务广大用户，合工仿真Simerics技术团队启动微课视频录制计划，现已上传视频如下：

1 . 后处理培训：本视频以离心泵为例，讲解了常见后处理操作，包括云图、曲线、流线、动画制作以及自定义变量输出曲线等。

2 . 船舶水动力仿真：本视频讲解了利用Simerics-MP+ Marine Template快速建模流程，包括网格划分、边界设置、后处理等，整个设置过程几分钟完成。

3 . 颗粒仿真：本视频以旋风分离器为例，讲解了Simerics-MP+中内置的颗粒模型，包括如何设置颗粒边界、求解技巧、后处理等，还介绍了5.0版本与颗粒相关的新模型，如磨损模型。

以上视频均已上传至优酷网站，欢迎大家登陆查看。

视频链接：http://list.youku.com/albumlist/show/id_52203237

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