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第 4期(总第 195期) 车 用 发 动 机 No．4(SerialNo．195) 2011年 8月 VEH ICLE ENGINE Aug．2011 一 种稀疏矩阵算法及其在燃烧室传热计算中的应用 董哲林 ，陈国华，蒋炎坤 ，王春发 ，庄瑞宜 (华 中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074) 摘要 ：依据温度刚度矩阵为稀疏矩阵的特点，提 出了一种基于链表数据结构的存储方法来构建整体刚度矩阵， 并对该方法进行 了优化 ，提高了检索效率。此外，改进 了传统的高斯消去法，提 出了沿对角线按局部长操作数最少 的方法选主元的策略，该策略在确保计算稳定性的前提下，既可以保证消元过程中剩余矩阵的稀疏性，又可以减小 因选主元带来过大的额外计算量 。将该方法应用于 内燃机燃烧室耦合 系统瞬态传热计算，计算结果表 明，与传统 方法相 比，该算法能够显著提高求解效率。 关键词 ：内燃机 ；燃烧室；三维瞬态传热；稀疏矩阵；链表 中图分类号：TK402 文献标志码 ：B 文章编号 ：1001-2222(2011)04-0010-06 传热影响着内燃机的性能、效率和排放[1]，一直 程模拟、冷却介质 (循环冷却水 、机油)三维传热模拟 是 内燃机研究的重点之一。早期的内燃机燃烧室部 结合 ，今后的发展趋势是完成气～ 固一液耦合传热 件传热研究局限于单个金属部件，这种方法没有体 模拟，实现内燃机传热全仿真 ]。金属部件间的耦 现燃烧室部件之间的耦合传热关系，不能准确地反 合传热计算时间过长，已成为阻碍实现内燃机传热 映系统 内的传热过程。因此 ，国内外学者们纷纷进 全仿真的瓶颈之一。 行了内燃机燃烧室耦合系统瞬态传热研究 ]。但 动接触部件 (活塞组一润滑油膜一气缸套)瞬态 是，此研究存在计算时间长、内存消耗大等 问题，提 传热模拟是金属部件耦合传热研究的难点之一。由 高运算效率对内燃机的传热研究具有重要意义。 于活塞组与气缸套之间存在相对运动，活塞 的散热 内燃机传热研究主要分为缸 内工作过程的传 损失 中有 60 ～70 通过该运动边界传至缸套，进 热、动接触部件 (活塞组一润滑油膜一气缸套)耦合 而传到冷却介质_l7]，所 以这也是影响模拟精度 的关 传热、固定部件(缸体、缸套、缸盖)静接触传热、冷却 键 。由于传热边界的复杂性，目前商业软件只能求 介质(循环冷却水、机油)传热模拟。内燃机传热过 解单个零件 的温度场 ，不能求解活塞组一润滑油 程研究由以上四部分组成，但并不是它们之间简单 膜一气缸套系统的瞬态温度场。活塞组一润滑油 的组合，而是彼此之间有着复杂的传热联系，互为边 膜一气缸套整体耦合模拟的方法 是 目前最有效 界、互相影响。其中金属部件 (动接触部件、静接触 的方法，它通过将润滑油膜假设为一维热阻，采用等 部件)间的传热一直备受关注 。这部分是联结工作 效对流换热系数的方法建立活塞组与气缸套之间的 过程模拟、冷却介质传热模拟 的基础。金属部件 间 传热联系。然后采用有限元法对求解域进行离散 ， 的耦合传热研究迫切需要解决计算时间长、内存消 活塞组一润滑油膜一气缸套系统瞬态温度场的计算 耗大等问题。一方面，由于传热研究的有限元模型 最终归结为求解一个大型稀疏线性方程组。线性方 越来越复杂 (例如 已经发展到活塞组一气缸套 ／气缸 程组的求解速度决定了瞬态温度场计算的快慢 。对 体一气缸垫一气缸盖一进排气 门模型——包含 了 于大型三维瞬态传热问题 ，在保证计