基于CFD的摩托車散熱器流場模擬及節(jié)溫器的影響分析

譚禮斌，袁越錦，黃 燦，王 萍，唐 琳

(1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021；2.隆鑫通用動力股份有限公司技術(shù)中心，重慶 400039)

冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行具有關(guān)鍵性的作用。隨著發(fā)動機(jī)功率及性能的提升，對冷卻系統(tǒng)性能的要求也越來越高。目前，針對冷卻系統(tǒng)的研究主要集中在水套分析、散熱器流場分析及系統(tǒng)匹配控制等方面[1-3]。其中，節(jié)溫器是冷卻系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一，其主要功能是根據(jù)冷卻液溫度來控制主閥門開閉程度，實(shí)現(xiàn)冷卻回路中冷卻液流量的合理分配。節(jié)溫器的合理設(shè)計是保證發(fā)動機(jī)在合適溫度下工作的關(guān)鍵，節(jié)溫器及其對散熱器流量分配的研究對冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計具有重要意義[4]。隨著計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術(shù)的發(fā)展及在工程上的廣泛運(yùn)用，采用流體分析軟件通過數(shù)值求解捕捉速度場、壓力場等流場細(xì)節(jié)信息，從而指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計的“虛擬仿真開發(fā)”已是機(jī)械行業(yè)的發(fā)展趨勢[5-7]。劉吉林等[8]采用一維和三維的雙重分析精確獲取了節(jié)溫器主閥門兩側(cè)的壓力值；許曉文等[9]采用STAR-CCM+對散熱器流場進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了散熱器散熱片波紋狀結(jié)構(gòu)與格柵狀結(jié)構(gòu)的傳熱特性區(qū)別?；贑FD技術(shù)進(jìn)行流場模擬及優(yōu)化分析，可為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計及改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。基于此，本文利用CFD分析軟件對摩托車散熱器流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并探究節(jié)溫器不同小循環(huán)管路內(nèi)徑對整體流動阻力的影響，獲取管路內(nèi)徑與流動阻力間的變化規(guī)律，為后續(xù)該散熱器節(jié)溫器的結(jié)構(gòu)選型及優(yōu)化提供理論參考及仿真數(shù)據(jù)支撐。

1 物理模型

摩托車散熱器流體計算域模型示意如圖1所示。采用流體分析軟件STAR-CCM+自帶的多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格生成技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對散熱器流道進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理，最終網(wǎng)格數(shù)量約為700萬個，網(wǎng)格模型如圖2(a)。圖2(b)中的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果顯示網(wǎng)格數(shù)量較小時，壓降模擬值呈現(xiàn)上升趨勢，網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到680萬個以后，壓降變化趨勢穩(wěn)定。由此可見700萬個網(wǎng)格可以獲得較準(zhǔn)確的進(jìn)出口壓降值(流動阻力)，此時壓降模擬值與實(shí)測值的誤差約在5%，表明本文構(gòu)建的計算域模型具有較高的預(yù)測精度。節(jié)溫器為石蠟機(jī)械式節(jié)溫器，工作原理為節(jié)溫器閥芯中石蠟體積受溫度控制，冷卻液溫度低時，石蠟呈固態(tài)，旁通閥關(guān)閉，冷卻液流經(jīng)發(fā)動機(jī)內(nèi)部小循環(huán)；反之，石蠟體積膨脹，旁通閥打開，冷卻液流經(jīng)散熱器[10]。節(jié)溫器主閥全開啟狀態(tài)，稱為大循環(huán)；節(jié)溫器主閥全閉狀態(tài)，稱為小循環(huán)。原狀態(tài)小循環(huán)管路內(nèi)徑為11 mm，為研究節(jié)溫器不同小循環(huán)管路內(nèi)徑及其管路連接對散熱器流動阻力的影響，選取小循環(huán)內(nèi)徑為12，13，14，15，16 mm及其配套連接管路、12.2 mm直角彎連接形式(圖3)等節(jié)溫器狀態(tài)來進(jìn)行對比研究，從而獲得適宜的小循環(huán)內(nèi)徑及管路連接狀態(tài)。

圖1 散熱器計算域模型示意

圖2 計算域網(wǎng)格及無關(guān)性驗(yàn)證

圖3 節(jié)溫器小循環(huán)不同狀態(tài)示意

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

流體介質(zhì)為80 ℃的50%乙二醇和50%水的混合溶液，密度為1038.3577 kg/m3，動力黏度為9.8×10-4Pa·s。假設(shè)散熱器內(nèi)的冷卻液流動為不可壓縮的湍流流動，流動過程中不考慮溫度的影響。選用STAR-CCM+中的realizable two-layerk-epsilon兩方程湍流模型進(jìn)行散熱器內(nèi)部流動的數(shù)值求解。數(shù)值求解過程中需要求解的流體控制方程及湍流方程主要包括連續(xù)性方程、動量方程、k方程、epsilon方程[11-13]。模擬求解中需要設(shè)置的邊界條件如下：

1) 入口：質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量為0.8653 kg/s，對應(yīng)的體積流量為50 L/min。

2) 出口：壓力出口，出口壓力為大氣壓。

3) 壁面：無滑移壁面，壁面函數(shù)采用STAR-CCM+中的Two-layer Ally+ Wall Treatment函數(shù)[14]。計算域的入口、出口邊界示意如圖4所示。

圖4 計算域示意

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 壓降及流量占比

圖5為節(jié)溫器大循環(huán)下散熱器進(jìn)出口壓降對比曲線。原狀態(tài)節(jié)溫器大循環(huán)的壓降約為52 kPa。隨著小循環(huán)管路內(nèi)徑的增大，大循環(huán)開啟后，小循環(huán)存留的流動間隙更大，較多的冷卻液會從小循環(huán)管路流失而不經(jīng)過散熱器，造成冷卻液利用率降低。小循環(huán)管路內(nèi)徑增大，大循環(huán)狀態(tài)下散熱器進(jìn)出口壓降依序降低。圖5中12.2 mm直角彎管連接的壓降值比12 mm時略大，其原因是直角彎連接處具有較大的壓力損失，造成了壓降值增大。

圖5 節(jié)溫器大循環(huán)時散熱器進(jìn)出口壓降

圖6為節(jié)溫器小循環(huán)下散熱器進(jìn)出口壓降對比曲線。原狀態(tài)節(jié)溫器小循環(huán)的壓降約為187 kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)溫器大循環(huán)時的壓降值。隨著小循環(huán)管路內(nèi)徑的增大，小循環(huán)時散熱器進(jìn)出口壓降明顯降低。原因是原節(jié)溫器結(jié)構(gòu)的小循環(huán)管路內(nèi)徑較小，流動空間小，造成速度在小間隙內(nèi)急劇增大，壓力增大，從而造成小循環(huán)進(jìn)出口壓降較大。

圖6 節(jié)溫器小循環(huán)時散熱器進(jìn)出口壓降

圖7為節(jié)溫器大循環(huán)下流經(jīng)小循環(huán)的流量占總流量比值的曲線。節(jié)溫器origin狀態(tài)下從小循環(huán)流失的冷卻液流量占總流量的比值為29%。隨著小循環(huán)管路內(nèi)徑的增大，小循環(huán)流動阻力減小，造成更多的冷卻液從小循環(huán)管路流失。為保證散熱器整體散熱，當(dāng)散熱器在高溫情況下工作時，大循環(huán)全開后從小循環(huán)管路流失的流量占比應(yīng)控制在30%以下。圖7中小循環(huán)管路內(nèi)徑大于13 mm時，從小循環(huán)流失的流量占比已超過40%，對散熱器的整體散熱性能極其不利。綜合考慮壓降及流量占比，為降低實(shí)際運(yùn)行中小循環(huán)的水流阻力，可增加小循環(huán)管路內(nèi)徑值，內(nèi)徑值不宜超過13 mm，水流阻力可降低約30%～40%。

圖7 節(jié)溫器大循環(huán)時流經(jīng)小循環(huán)的流量占比

3.2 速度及壓力分布

圖8為3個截面示意，截面1查看節(jié)溫器內(nèi)部流速及壓力分布情況，截面2，3查看散熱器內(nèi)部流速及壓力分布情況。該節(jié)選取12.2 mm直角彎連接狀態(tài)的散熱器節(jié)溫器進(jìn)行流場分析，并與origin狀態(tài)下的散熱器節(jié)溫器流場進(jìn)行對比分析。圖9中截面1速度云圖顯示origin狀態(tài)速度分布更均勻；圖10中兩者速度差異不明顯；圖11中origin狀態(tài)截面速度略高于12.2 mm直角彎狀態(tài)。圖12中origin狀態(tài)在經(jīng)過節(jié)溫器后進(jìn)入進(jìn)水室后冷卻液速度略高，且整體流線分布更為均勻。綜上可得出origin狀態(tài)對應(yīng)的截面流速分布情況略好于12.2 mm直角彎連接狀態(tài)下的截面流速分布。造成這種現(xiàn)象的原因是12.2 mm直角彎連接狀態(tài)下，在節(jié)溫器全開啟后，從小循環(huán)流失的冷卻液流量比origin狀態(tài)的多，造成流經(jīng)散熱器的冷卻液流量少，從而導(dǎo)致流速低。總體來看，兩者間差異不大。從圖13—15的壓力分布云圖可以看出，12.2 mm直角彎連接狀態(tài)下的截面壓力低于origin狀態(tài)下的壓力。

圖8 截面示意

圖9 節(jié)溫器大循環(huán)下截面1速度分布

圖10 節(jié)溫器大循環(huán)下截面2速度分布

圖11 節(jié)溫器大循環(huán)下截面3速度分布

圖12 整體流線分布

圖13 節(jié)溫器大循環(huán)下截面1壓力分布

圖16—17分別為節(jié)溫器小循環(huán)下截面1的壓力分布云圖和速度分布云圖。從圖中可以看出，origin狀態(tài)下小循環(huán)最大壓力約為187 kPa，12.2 mm直角彎連接狀態(tài)最大壓力約為124 kPa，新狀態(tài)的壓力值比origin狀態(tài)降低了63 kPa，降幅約為34%。12.2 mm直角彎連接狀態(tài)下小循環(huán)截面速度略大于origin狀態(tài)，原因是12.2 mm直角彎連接狀態(tài)下流經(jīng)小循環(huán)的冷卻液流量更多，造成流速略大。

圖14 節(jié)溫器大循環(huán)下截面2壓力分布

圖15 節(jié)溫器大循環(huán)下截面3壓力分布

圖16 節(jié)溫器小循環(huán)下截面1壓力分布

圖17 節(jié)溫器小循環(huán)下截面1速度分布

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用文獻(xiàn)[15]中的測試設(shè)備及原理對帶有節(jié)溫器的散熱器進(jìn)出口壓降進(jìn)行測試，獲取在指定溫度及流量下的進(jìn)出口壓降值。實(shí)驗(yàn)測試溫度選擇30 ℃，此時節(jié)溫器處于小循環(huán)狀態(tài)，冷卻液從小循環(huán)流走，不經(jīng)過散熱器，測試獲取的壓降值即為小循環(huán)的壓降。圖18為小循環(huán)壓降模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對比。12.2 mm直角彎管連接的節(jié)溫器狀態(tài)下壓降值小于原節(jié)溫器小循環(huán)壓降值，達(dá)到了改善小循環(huán)壓損的目的。模擬值與實(shí)測值變化趨勢一致，實(shí)測值略比模擬值大9 kPa左右，相對誤差約為7%，在可接受范圍內(nèi)。表征本文構(gòu)建的模型可較好地預(yù)測壓力值變化，分析結(jié)果可為后續(xù)節(jié)溫器選型及結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

4 結(jié)論

利用STAR-CCM+對摩托車散熱器流場進(jìn)行模擬分析，研究不同節(jié)溫器狀態(tài)對散熱器整體流動阻力的影響，獲得了節(jié)溫器不同小循環(huán)管路內(nèi)徑值與流動阻力間的變化關(guān)系，為后續(xù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。依據(jù)流場分析結(jié)果及節(jié)溫器的影響研究得出如下結(jié)論：

1) 節(jié)溫器大循環(huán)(節(jié)溫器閥全開)時散熱器進(jìn)出口壓降為52 kPa，大循環(huán)時小循環(huán)不能完全關(guān)閉，從小循環(huán)流失的冷卻液流量占比為29%；節(jié)溫器小循環(huán)時(節(jié)溫器閥全閉)散熱器進(jìn)出口壓降約為187 kPa，該阻力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大循環(huán)時散熱器進(jìn)出口的壓降值?？梢酝ㄟ^增大節(jié)溫器過流面積來降低壓力損失。

2) 小循環(huán)管路內(nèi)徑增大，小循環(huán)時散熱器進(jìn)出口壓降明顯降低；同時，小循環(huán)管路內(nèi)徑增大，在大循環(huán)開啟，小循環(huán)不能完全關(guān)閉的間隙越大，會有更多的流量從小循環(huán)流失，對散熱器的散熱性能有不利影響。

3) 結(jié)合壓降和小循環(huán)流量占比來綜合考慮，該節(jié)溫器小循環(huán)管路內(nèi)徑不宜超過13 mm，小循環(huán)時散熱器進(jìn)出口壓降可比原節(jié)溫器結(jié)構(gòu)的進(jìn)出口壓降降低30%～40%。小循環(huán)管路內(nèi)徑值要根據(jù)冷卻系統(tǒng)流動阻力及散熱器節(jié)溫器的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行合理匹配設(shè)計，才能保證散熱器的散熱能力。

4) 散熱器壓降模擬值與實(shí)測值間相對誤差約為7%，表征構(gòu)建的計算域模型可較精確地預(yù)測壓降、速度等流場結(jié)果信息。該分析模型可作為同類型產(chǎn)品設(shè)計前期的仿真預(yù)測模型。