V型多缸柴油機冷卻系統(tǒng)流動不均勻性研究

杜巍， 劉叢叢， 劉福水

(北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081)

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V型多缸柴油機冷卻系統(tǒng)流動不均勻性研究

杜巍， 劉叢叢， 劉福水

(北京理工大學機械與車輛學院， 北京 100081)

采用SolidWorks建立某V型多缸柴油機冷卻系統(tǒng)的水路三維模型，利用FLUENT軟件對冷卻系統(tǒng)中水路的流動進行了三維仿真計算，分析了冷卻系統(tǒng)在不同發(fā)動機入口流量情況下左右兩排氣缸流量的差異及單排氣缸中通過各缸蓋的流量不均勻性變化規(guī)律。結果表明：隨發(fā)動機入口總流量的增加，左排氣缸冷卻液流量與右排氣缸冷卻液流量分配的差異減小，趨于均勻；單排氣缸中，通過各缸缸蓋的流量絕對值差異隨總流量的增加而增加，但不均勻度變化較小。

柴油機； 冷卻系統(tǒng)； 流動分布； 不均勻性

冷卻系統(tǒng)是保證柴油機正常工作的重要系統(tǒng)，可將高溫工作的柴油機零件的熱量散發(fā)出去，使柴油機得到適度冷卻，保證柴油機始終在正常的溫度范圍內(nèi)工作[1-2]。多缸柴油機的缸數(shù)較多，盡管每缸水套和水腔的結構設計是一樣的，但實際上由于沿程阻力和局部阻力的存在，會出現(xiàn)各缸流動的不均勻現(xiàn)象，從而造成冷卻的不均勻[3]。各缸冷卻不均勻將直接造成柴油機各缸傳熱不同、有效熱效率不同、高溫零件的熱負荷不同等問題。研究不同工況下柴油機各缸冷卻液流動的不均勻性對于指導多缸發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計和整機精細化設計具有重要的意義[4-6]。

多年來，國內(nèi)外的研究人員對內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)進行了仿真和試驗研究。2008年Nutinen Mika 等利用CFD 軟件STAR-CD計算了燃燒室內(nèi)活塞表面的溫度，并考慮到缸內(nèi)燃氣密度的變化，重新定義了綜合的壁面函數(shù)，并將其與標準壁面函數(shù)下的計算結果相比較，提高了流固耦合傳熱數(shù)值模型的求解精度[7]。意大利摩德納大學的Stefano Fontanesi等使用STAR-CCM+對內(nèi)燃機水套進行了三維CFD和FEM計算，并對缸蓋和水套的機械疲勞強度和熱疲勞強度進行了分析[8]。北京理工大學肖翀、左正興等應用現(xiàn)代設計方法實現(xiàn)柴油機氣缸蓋流場、溫度場、應力場的耦合分析，探索了關鍵結構對氣缸蓋溫度及應力大小和分布的影響程度，并且就缸蓋入口流量對缸蓋冷卻的影響進行了分析[9]。郭良平等對高功率下的氣缸蓋冷卻水腔進行了流動數(shù)值分析，對火力面附近冷卻效果不理想的局部結構進行改進，期以獲得更好的冷卻效果[10]。吉林大學李朋利用ANSYS軟件分析了一款液壓自由活塞發(fā)動機的冷卻水套的流場，并提出了增大4個上水口尺寸、增加掃氣道鼻梁區(qū)水套結構、將水套入水口向上傾斜角由30°改成25°3種方法對水套進行了優(yōu)化[11]。湖南大學李斌使用Fire軟件對某型汽油機冷卻水套和缸體進行流固耦合仿真分析，計算了缸體溫度場的分布，采用順序耦合計算方法，求解了缸體熱應力，結果表明，缸體熱負荷滿足設計要求[12]。

本研究以某V型多缸柴油機冷卻系統(tǒng)為研究對象，用SolidWorks建立其冷卻水腔的三維模型，使用 FLUENT軟件進行冷卻水腔的三維流動仿真計算，分析發(fā)動機在不同的入口流量情況下，左右兩排氣缸的流量不均勻性變化規(guī)律，以及每排氣缸各缸缸蓋流量的不均勻性隨總體流量的變化規(guī)律。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

所研究的某V型多缸柴油機冷卻系統(tǒng)為強制循環(huán)水冷系統(tǒng)，組成示意見圖1。

用SolidWorks建立水路的三維模型(見圖2)。柴油機為V型8缸機，缸蓋為一缸一蓋分體式結構。冷卻液進入主水道后分成兩路，一路經(jīng)過機油換熱器，進入5，6，7，8缸箱體水腔和缸蓋水腔，再流入分回水管；一路進入1，2，3，4缸箱體水腔和缸蓋水腔，流入分回水管。最終，冷卻液由兩個分回水管匯入主回水管，流回水箱。

利用ICEM對模型進行網(wǎng)格劃分，選擇基本網(wǎng)格尺寸5 mm，并對缸蓋鼻梁區(qū)等關鍵流動區(qū)域進行網(wǎng)格加密，同時對近壁面采用多層邊界層網(wǎng)格，最終生成網(wǎng)格總數(shù)200多萬。網(wǎng)格模型見圖3。

1.2 計算內(nèi)容和數(shù)據(jù)處理方法

計算過程中假設柴油機的機內(nèi)冷卻系統(tǒng)流動為三維穩(wěn)態(tài)、不可壓、黏性湍流流動，流體介質(zhì)為純水，并且不考慮冷卻水腔壁面粗糙度。在FLUENT中湍流模型選用標準湍流模型，對于壁面附近的區(qū)域，采用Standard Wall Function模型。入口采用質(zhì)量流量入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力為0.1 MPa，其余邊界默認為壁面。對于換熱器部分，采用多孔介質(zhì)代替。在計算過程中，除改變總體流量邊界條件外，其他邊界條件保持不變。

設置發(fā)動機入口總流量邊界條件分別為6.65 kg/s，8.31 kg/s，9.97 kg/s，11.64 kg/s，13.30 kg/s進行仿真計算。通過軟件處理得到經(jīng)過各缸氣缸蓋水路的流量，并分析在不同的總體流量下，左排氣缸總流量與右排氣缸總流量的差異隨總體流量的變化規(guī)律，以及每排缸單獨比較時，各個氣缸蓋流量不均勻性與總體流量的對應關系。為了對各缸蓋流量不均勻性進行評價，引入流量不均勻度的概念。定義各缸蓋流量不均勻度為

(1)

(2)

式中：mi表示第i缸缸蓋流量(i=1,2,…8)； mmean為每缸缸蓋流量的平均值； mmax為流量最大值； mmin為流量最小值；Δm為各缸缸蓋流量不均勻度。

2 計算結果與分析

2.1 左右兩排缸缸蓋進口速度隨入口總流量的變

化規(guī)律

圖4示出仿真計算得到的冷卻水腔流場矢量圖。從中可以看出，水腔中大部分流域流速都維持在0.5 m/s以上，其中冷卻液流速在換熱器、回水總管中較低，在缸蓋入口和出口的細喉口處速度最大，在箱體水套中流速適中。冷卻液從氣缸蓋出口流入回水管后，由于流通面積突然加大，相當于冷卻液從管道流入一個空腔之中，此處產(chǎn)生了較大的局部流動損失。

計算所得的各缸氣缸蓋冷卻液進口處的平均流速vi(i=1,2,3，…8)見表1。從表中可知，發(fā)動機入口總流量變化時，左排氣缸缸蓋進口的流體速度總是小于右排氣缸缸蓋進口的流體速度，且單排氣缸蓋進口的流速存在一定的不均勻性。隨著發(fā)動機進口總流量的變化，每個氣缸蓋進口的流速均增加，但右排氣缸缸蓋進口流速從大到小排列順序不變，保持為v1>v3>v4>v2，左排氣缸缸蓋進口流速從大到小排列順序也不變，保持為v5>v7>v8>v6。

表1 各缸缸蓋進口流速

2.2 左右兩排缸流量隨入口總流量的變化規(guī)律

根據(jù)仿真結果處理得到左排氣缸的冷卻液流量與右排氣缸的冷卻液流量數(shù)據(jù)(見表2)。由表2可知，左排氣缸冷卻液流量一直小于右排氣缸冷卻液的流量，但隨著發(fā)動機入口總流量的增加，左右兩排氣缸流量的差異減小，左排氣缸流量所占百分比從44.66%增加到48.12%，右排氣缸流量所占比例從55.34%下降到51.88%。

表2 左右排氣缸流量分配情況

圖5示出不同流量時換熱器、左排氣缸水腔、右排氣缸水腔的進出口壓降。從數(shù)據(jù)分析可知，左排和右排氣缸水腔的進出口壓差隨流量的變化規(guī)律比較接近，流動阻力系數(shù)接近；而換熱器進出口壓差隨流量變化的曲線斜率小于左、右排氣缸水腔進出口壓差的曲線斜率，說明換熱器的流動阻力系數(shù)要小于左、右排氣缸水腔的流動阻力系數(shù)。最終導致左排氣缸冷卻液的流量總是小于右排氣缸冷卻液的流量；而且當總流量增加時，換熱器對左右兩排氣缸的流量分配影響程度小于缸蓋和水套的影響，左右排氣缸流量的差異減小。

2.3 單排氣缸缸蓋流動不均勻性隨總體流量的變

化規(guī)律

將后處理的數(shù)據(jù)進行整理，得到發(fā)動機每排氣缸各個缸蓋的冷卻液流量，根據(jù)式(1)和式(2)可以得到左、右排氣缸缸蓋流量的不均勻度(見表3和表4)。從表3可知，由于沿程阻力的存在，6缸缸蓋的流量最?。?缸缸蓋流量由于滯止效應，冷卻液的大部分動能轉化成壓力勢能，使5缸缸蓋的入口壓力增加，導致其流量最大。當發(fā)動機總流量從6.65 kg/s增加到13.3 kg/s時，左排氣缸缸蓋流量的最大流量與最小流量的差值從0.05 kg/s增加到0.12 kg/s，但不均勻度只是在6.73%～7.68%范圍內(nèi)浮動，變動范圍為0.95%。

表3 左排氣缸缸蓋流量不均勻度

表4 右排氣缸缸蓋流量不均勻度

從表4可知，與左排同樣的原因，2缸缸蓋流量最小，1缸缸蓋流量最大?？偭髁繌?.65 kg/s增加到13.3 kg/s時，右排氣缸缸蓋流量最大流量差值從0.16 kg/s增加到0.31 kg/s，但不均勻度在17.39%～18.94%范圍內(nèi)浮動，變動范圍為1.55%。綜合左右兩排的數(shù)據(jù)可知，單排氣缸的流量不均勻度與總流量之間不存在線性的變化關系，而是在一個較小的范圍內(nèi)上下浮動。所以發(fā)動機總流量的變化對每排氣缸缸蓋的流量不均勻性的影響不明顯。

由于左排氣缸入口有換熱器的存在，右排氣缸平均流速大于左排氣缸，所以右排氣缸的滯止效應大于左排，導致右排5缸缸蓋流量升高量明顯大于左排1缸。但到2缸的沿程損失大于到6缸的沿程損失，以流量為13.3 kg/s為例， 2缸與6缸的缸蓋流量相差0.02 kg/s，而1缸與5缸相差0.21 kg/s，所以導致右排氣缸的流量不均勻度大于左排。

3 結論

a) 由于換熱器的存在，V型多缸柴油機左排氣缸流動阻力大于右排氣缸流動阻力，使得左排氣缸冷卻液的流量一直小于右排氣缸的流量；隨著發(fā)動機總流量的增加，換熱器的流動阻力在左排氣缸中的影響程度下降，左右兩排氣缸的流量分配差異減小，趨于均勻；由于左右兩排流動阻力除換熱器引起的不同外，完全對稱，所以要降低兩側流動的不均勻性，應在保證換熱的情況下，盡可能使用流動阻力小的換熱器；

b) 當發(fā)動機入口總流量增加時，每排氣缸的缸蓋最大流量與最小流量的差值增大，但各缸缸蓋的流量不均勻度變化不大，而是在一個很小的范圍內(nèi)上下浮動，說明發(fā)動機總流量對各缸缸蓋冷卻液流量的不均勻度影響不大；由于換熱器的存在，右排氣缸流量不均勻度大于左排。

[1] 周龍保．內(nèi)燃機學[M].北京: 機械工業(yè)出版社， 2010．

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[3] 閔祥芬．高強化柴油機冷卻系統(tǒng)匹配設計[D].北京：北京理工大學，2012.

[4] 郭良平．柴油機氣缸蓋傳熱規(guī)律研究[J].北京理工大學學報，2011(3)：278-282，31．

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[編輯: 李建新]

Flow Non-uniformity of Cooling System for V-type Multi-cylinder Diesel Engine

DU Wei, LIU Congcong, LIU Fushui

(School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

The three-dimensional model of cooling system waterway for a V-type multi-cylinder diesel engine was built with SolidWorks software, the simulation and calculation of cooling water flow was conducted with FLUENT software, and the difference between the left and the right row water flow and the non-uniformity of flow passing through each cylinder head in single row were analyzed under different flow rates of engine entrance. The results show that the difference between the left and the right row cooling water flow becomes smaller with the total flow increase of engine entrance. The difference between flow absolute values of each cylinder head in single row increases with the increase of total flow, but the non-uniformity hardly changes.

diesel engine; cooling system; flow distribution; non-uniformity

2015-11-11;

2016-03-23

國家部委預研項目(40402020101)

杜巍(1974—)，男，博士，副教授，主要從事內(nèi)燃機性能仿真與測試方面的研究；dwei@bit.edu.cn。

劉福水(1964—)，男，教授，博士生導師，主要從事內(nèi)燃機總體設計和工作過程優(yōu)化方面的研究； fushui_liu@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.013

TK414.2

B

1001-2222(2016)03-0067-04