某發(fā)動機冷卻水套CFD分析改進

孫紹東方存光劉 杰

(沈陽理工大學汽車與交通學院，沈陽 110159)

隨著汽車技術的不斷發(fā)展及人們對汽車駕駛感要求的不斷提升，對汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)性能提出了更高要求。 冷卻不足和冷卻過度都將影響發(fā)動機正常使用[1-2]。 對發(fā)動機冷卻水的流動測量主要有兩種方法：一是定性測量，即通過染色等手段直觀地反映流體的流動；二是定量測量，即利用特定方式進行的定量分析，如粒子成像測速等。近些年，很多學者對發(fā)動機冷卻水套流場問題展開了研究。 谷芳等[3]利用激光多普勒測速系統(tǒng)對“鼻梁區(qū)”等重點區(qū)域冷卻液的速度分布進行了測量，獲得了柴油機冷卻液的流場分布情況。 高林松[4]針對內燃機冷卻水套微納結構進行實驗研究，發(fā)現當過熱度為15K 時，相比于光表面，微納結構表面的沸騰換熱系數增加近一倍。 隨著計算機的高速發(fā)展，目前研究解決發(fā)動機三維流動的主要方法是以計算機為媒介的計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD) 方法[5]。Shih S 等[6]使用CFD 分析軟件對發(fā)動機冷卻水套進行了數值模擬，并按照所得結果指導其結構優(yōu)化，改善了發(fā)動機的“敲缸”現象。 豐程嵐[7]利用數值模擬技術對某柴油機的冷卻水腔進行仿真分析，并結合粒子圖像測速實驗結果，確定了合適的計算模型，進一步將其用于溫度場的計算，仿真結果與實驗數據間最大誤差不超過7%。 徐玉梁等[8]對某增壓發(fā)動機采用單向和雙向耦合方式進行仿真分析，并與試驗數據對比，結果表明雙向耦合運算結果精度更高。

本文利用仿真軟件對某1.4T 發(fā)動機冷卻水套進行CFD 分析，得到速度場分布、溫度場分布及壓力損耗量等結果；結合冷卻系統(tǒng)的冷卻要求進行對比分析，針對冷卻系統(tǒng)存在的不足，對發(fā)動機冷卻水套提出改進方案，為該發(fā)動機的結構優(yōu)化提供理論支持。

1 冷卻水套模型的建立

1.1 幾何模型

應用建模軟件Unigraphics NX(簡稱UG)對缸蓋和缸體冷卻水套進行建模，見圖1所示。 冷卻水主要以大小循環(huán)的形式進行流動。 發(fā)動機冷卻水大循環(huán)流經路線：水套→節(jié)溫器主閥門→散熱器上水室→冷卻管→散熱器→水泵進水口→水泵→水套；發(fā)動機冷卻水小循環(huán)路線：水套→節(jié)溫器旁通孔→旁通管→水泵進水口→水泵→水套。冷卻水通過大小循環(huán)的形式最終都流入冷卻水套，對發(fā)動機進行冷卻并最終通過缸蓋兩側的出水口流回水箱。

圖1 發(fā)動機冷卻水套

1.2 計算模型

1.2.1 計算模型與方法

使用流體力學分析軟件Fluent，利用有限體積法進行離散化處理，求解采用非耦合隱式格式(SIMPLE 算法)。 湍流模型采用k-ε模型，在壁面附近采用標準壁面函數[9-10]。 本文不考慮循環(huán)水泵對水套內冷卻水流動的影響。

1.2.2 網格劃分

在UG 建模過程中對冷卻水套結構進行適當簡化處理，忽略倒角等對流場的影響，對冷卻水套相對不重要的部分進行簡化處理可以在保證計算結果準確性的前提下減少分析時間。 對重要的受熱部位(如“鼻梁區(qū)”)未做簡化處理，以保證分析的全面性和重點針對性。 網格劃分與網格模型見表1和圖2所示。

圖2 網格劃分示意圖

表1 網格劃分

1.3 邊界條件

1.3.1 冷卻水物理性質

在對發(fā)動機冷卻水套進行模擬時，大多數冷卻水流動的數值計算中常粗略選用純凈水作為冷卻介質。 本文冷卻系統(tǒng)冷卻介質為水與乙二醇的混合液(也稱冷卻水)，其質量各占50%，冷卻水在水套中的流動視為絕熱不可壓縮黏性流體的湍流流動，其密度為1015kg/m3。

1.3.2 仿真邊界條件

該發(fā)動機冷卻水套的CFD 分析中具體邊界條件設定如下[11]：

(1)冷卻水套采用流速進口邊界條件，其數值為1.2m/s，冷卻水溫度為340K；

(2)缸蓋水套出口邊界條件采用壓力出口邊界，處理方式為流場充分發(fā)展的流動，采用Fluent軟件中的出口邊界條件(出口壓力為0Pa)，冷卻水溫度360K；

(3)采用定義壁面溫度的第一類壁面熱邊界條件，定義數值如表2所示。

表2 壁面溫度邊界條件設置

2 計算結果與分析

2.1 流動仿真結果

2.1.1 缸蓋冷卻水套溫度場分布

缸蓋冷卻水套溫度場分布情況如圖3所示。

圖3 缸蓋冷卻水套的溫度場分布

由圖3可見，第三缸和第四缸的冷卻效果比第一、二缸稍差，但由于第四缸右端出水口的布置，一定程度上增加了對冷卻水的導流作用，使整體來看四個氣缸的溫度分布較為平均，且進氣道的溫度低于排氣道。 對于缸蓋冷卻要求最高的“鼻梁區(qū)”，4 個氣缸對應溫度依次為351K、357K、361K 和365K，第三、四缸的溫度較高，但總體符合發(fā)動機冷卻要求。

2.1.2 缸蓋冷卻水套流場分布

圖4為缸蓋冷卻水套的速度矢量圖。

圖4 缸蓋冷卻水套的速度矢量圖

根據發(fā)動機冷卻標準，認為冷卻水流速在0.5m/s以上，即可滿足冷卻水套的冷卻要求。 從總體看，該缸蓋水套平均流速為1.2m/s，可以滿足冷卻要求；從部分看，各個氣缸的“鼻梁區(qū)”部分相較于其他部分流速有明顯提高，這是因為原發(fā)動機在缸體部分設置導流結構所致，對于“鼻梁區(qū)”關鍵部分的冷卻效果明顯。 另外，由于出水口的設置問題，缸蓋左右兩側的冷卻水流速較高。

2.1.3 缸體冷卻水套流場分布

圖5為缸體冷卻水套的速度矢量圖。

圖5 缸體冷卻水套的速度矢量圖

從總體看，冷卻水在缸體水套進氣側的流速高于排氣測的流速；從部分看，冷卻水在第一、二氣缸的流速高于第三、四氣缸的流速。 四個氣缸中，第二缸和第三缸的流速相對于其他氣缸流速較低，但其平均流速也達到0.53m/s，缸體整體冷卻水套平均流速為0.65m/s。 由此可知，冷卻水流速高于冷卻流速標準0.5m/s，滿足缸體水套冷卻要求。

2.2 上水孔流量分析

發(fā)動機冷卻水套在缸蓋和缸體間設置有上水孔，用來控制冷卻水流量，不同形式的上水孔設置將影響冷卻水的流量和流速的大小，進而影響缸蓋的上水量和冷卻效果，因此缸體上水孔的流量和流速分析尤為重要。 圖6為缸體上水孔的分布示意圖。

圖6 缸體上水孔的分布示意圖

由圖6可知，發(fā)動機進、排氣側的上水口布置較為均勻，進、排氣分別為10 個上水孔和11 個上水孔。

圖7為發(fā)動機缸體冷卻水套各上水孔的流速和流量分布狀況。

圖7 上水孔的流速和流量分布狀況

由圖7a 可以看出，發(fā)動機各上水孔的流速變化較大，缸體兩端上水孔冷卻水的流速大于中間缸的流速，總體呈“凹”型分布。 由圖7b 可以看出，流量總體呈無規(guī)律的跳躍式分布，排氣側1 ～10 號上水孔的冷卻水流量比進氣側更為均勻。

2.3 整體水套流線分布

圖8為整體冷卻水套流線分布圖。

圖8 整體水套流線分布圖

從單缸看，缸蓋與缸體冷卻水流線分布相對均勻，“鼻梁區(qū)”流線也有明顯增加；這與發(fā)動機缸體上導流筋的布置有關，該結構可起到導流作用，可對重點冷卻部位“鼻梁區(qū)”起到針對性冷卻。 從總體看，進水口與缸蓋兩端出水口的流速大于其他位置流速，最高達到2.4m/s。 發(fā)動機冷卻水套第一缸至第四缸冷卻水流線密度依次減小，回流現象依次加劇，冷卻效果依次減弱。 因此，改進發(fā)動機冷卻水流線的合理性，減少回流現象的產生，對發(fā)動機的冷卻具有積極作用。

2.4 壓力損失分布

壓力損失量是評價冷卻水循環(huán)流暢性的重要指標，也是發(fā)動機冷卻水套CFD 分析的重要環(huán)節(jié)。 發(fā)動機冷卻水套的壓力損失過大不僅會造成冷卻水流動不均和功率的無用消耗，還可能會產生壁面穴蝕現象，此現象的產生將對發(fā)動機的冷卻效果造成直接影響。 所以，減小壓力損失、保證冷卻要求是發(fā)動機設計的基本原則。

圖9是發(fā)動機冷卻水套的壓力分布云圖。 整體來看，冷卻水套總的壓力損失為15kPa。 冷卻水套各缸間的壓力差距相對較小，壓力分布也較為均勻。

圖9 發(fā)動機冷卻水套壓力分布

3 改進分析

3.1 冷卻水套的改進

針對上述分析結果，各氣缸內一定程度上都存在冷卻水的回流現象，解決該現象的發(fā)生即可對發(fā)動機冷卻水套起到進一步的優(yōu)化。 鑒于第三、四氣缸9、10、11、12、14、15 上水孔與第一、二氣缸17、19、20、21 上水孔不對稱的布置形式，先對上水孔做出圖10 所示的調整。

圖10 冷卻水套改進方案對比示意圖

將三、四氣缸排氣側的兩個水孔打通，將第四缸右側的兩個水孔調整為與第一缸左側的上水孔大小一致，即整體呈現對稱的布置形式。

3.2 改進前后對比分析

圖11 為改進后的冷卻水整體水套流線圖和速度矢量圖。

圖11 冷卻水套改進后速度分布

由圖11 可知，對比改進前的結構(圖8)，冷卻水的流線數量有了明顯的增加，第三、四氣缸的回流現象也有了明顯的改善。 整體冷卻水套冷卻水分布更加均勻，第三、四氣缸的流速有明顯的提高，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻效果得到改善。

改進后冷卻水套總體流速仍保持在0.5m/s以上，且“鼻梁區(qū)”重點冷卻位置流速均有一定程度的提高，雖然改進后的水套存在部分回流現象，但缸體水套表面平均流速和換熱系數明顯改善，改進前后缸體水套內表面平均流速和換熱系數對比如表3、表4所示。

表3 缸體水套內表面平均流速對比m/s

表4 缸體水套內表面換熱系數對比 W/(m2·K)

由表3、表4可知，改進后第一、二缸冷卻水流速略降低，第三、四缸流速增加；改進后換熱系數比改進前明顯提高。 由于上水孔結構改進，導致對冷卻水導流作用加強，各氣缸流速及換熱系數波動更平穩(wěn)，對于減少回流現象以及整機冷卻均具有積極意義，利于改善冷卻水套的冷卻效果。

4 結論

(1)發(fā)動機排氣側溫度大于進氣側溫度，排氣側上水孔冷卻水流速、質量流量均大于進氣側，整體可滿足冷卻要求。

(2)發(fā)動機缸蓋的溫度分布、速度矢量分布、缸體速度矢量分布、整體發(fā)動機壓力損失等均可滿足冷卻系統(tǒng)的冷卻要求。

(3)發(fā)動機水套內冷卻水的流線存在不合理之處，針對上水孔提出了相應改進方案。

(4)對發(fā)動機結構改進前后對比分析可知，冷卻水套改進后比改進前的冷卻效果具有明顯優(yōu)化。