基于无网格/有限体积法活塞的流固耦合传热及优化研究

Aiming at the fluid-solid coupled heat transfer problem of engine piston, combined smooth point interpolation meshless method (SPIM) with finite volume method (FVM), and the transient coupled heat transfer analysis of piston and topology optimization of thermal structure will be studied in order to avoid mesh distortion and checkerboard phenomenon, then it provides a new method for piston design. The meshless method will be introduced to perform the heat conduction analysis of piston and flow analysis of lubrication oil, the effect of its weight function, smooth domain on the calculation accuracy is investigated, and the distribution rule of friction heat on the contact surface is revealed. The multi-scale coupled mechanism of the heat transfer, flow and lubrication on the moving contact interface is clarified by constructing meshless influential domain across the interface and interpolation function. The KIVA-3V is used to simulate the flow combustion process of mixed oil and gas, and the data transmission between the influential domain and control volume is studied by using strong coupled method, and then the fluid-solid coupled heat transfer model is established based on meshless/finite volume method. On this basis, the oil storage capacity and cooling weak are chosen as the integrated objective function, meshless nodal density are selected as design variables, and then the model of thermal structure topology optimization based on fluid-solid coupled is studied, the efficient solution algorithm of the model is investigated by combining double links with GPU Parallel acceleration. According to the experimental results, the proposed model is revised to achieve the design of optimal hole structure on the piston skirt. The optimization results will contribute to the development of engine piston toward the lightweight, high strength, cooling and antifriction.

本项目针对发动机活塞的流固耦合传热问题，结合SPIM无网格法和有限体积法，开展活塞三维瞬态耦合传热分析和热结构拓扑优化研究，以避免网格畸变和棋盘格现象，为活塞设计提供一种新方法。将无网格法引入到活塞固体导热和润滑油流动分析，探讨其权函数、光滑域等对计算精度的影响，并揭示摩擦热流在接触表面的分配规律；通过构造跨界面的无网格影响域和插值函数，阐明移动接触界面上传热、流动与润滑多尺度耦合机理；利用KIVA-3V模拟混合气流动燃烧过程，并采用强耦合方式，研究影响域与控制体之间的数据传递，建立基于无网格/有限体积法的流固耦合传热模型；在此基础上，以储油能力和散热弱度为综合优化目标，以无网格节点密度为设计变量，研究流固耦合热结构拓扑优化模型的建立，结合双链表和GPU并行加速，开发模型的高效求解算法；根据试验结果，对所建模型进行修正，实现活塞裙部最佳孔洞结构的设计，促进活塞向轻质高强、散热减摩方向发展。

针对发动机活塞的流固耦合传热问题，主要开展了基于无网格法及其耦合算法的发动机活塞传热分析和结构优化研究。利用矩阵变换法引入各向异性材料的热导率变换模型，建立了基于无网格法的正交各向异性材料结构的稳态和瞬态传热模型，以发动机活塞、连杆、高压涡轮盘和压力容器等结构为例，讨论了无网格法中的不确定性参数（如权函数、影响域半径等）、材料方向角和正交各向异性因子对无网格法传热模型的稳定性、温度场分布规律和计算精度的影响；开展了正交各向异性材料结构热变形和热应力分析的无网格法研究，分析了材料方向角、热导率、热膨胀系数、主次泊松比等各向异性因子对结构热变形位移场和Mises应力场的影响；研究了不可压缩层流流动的无网格分析方法以及FE-EFG耦合的GPU加速算法，利用 CUDA平台库函数，引入PCG法对总体离散方程进行GPU加速求解，极大地提高了计算效率；探讨了活塞-缸套移动接触界面上的传热、流动与润滑多尺度流固耦合机理，利用三维无网格SPIM法、梯度光滑技术和跨材料界面影响域构造方法建立了移动接触问题的瞬态传热计算模型，编程求解了具有复杂几何区域和移动接触传热边界条件的发动机活塞组-油膜-缸套耦合系统的三维瞬态传热问题，结果表明无网格SPIM法不仅计算精度高，而且温度梯度光滑连续；以最小能耗为目标函数，建立了基于变密度法的流体拓扑优化数学模型，分析了不同的体积分数、雷诺数以及RAMP插值函数参数q对最优流道拓扑结构的影响；以结构散热弱度最小为目标函数，建立了正交各向异性材料热结构的无网格法拓扑优化数学模型，优化结果表明所建立的模型有效消除了棋盘格等数值不稳定性现象；综合考虑活塞的摩擦润滑性能及传热性能，结合GPU并行加速算法，完成了发动机活塞裙部的结构优化设计，设计了不同工况下具有最佳散热和润滑性能的发动机活塞结构，同时利用有限体积法分析了缸套表面不同凹槽内润滑油的流动性能，并进行了相关实验研究，为发动机活塞传热分析与结构设计提供了一种新方法。