四缸發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套流場(chǎng)數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

譚禮斌,袁越錦

(陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,西安 710021)

隨著社會(huì)與科技的發(fā)展,人們?cè)絹?lái)越追求高性能高動(dòng)力性的摩托車。摩托車的高動(dòng)力性主要來(lái)源于其搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)。高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)對(duì)冷卻系統(tǒng)也提出了更高的要求。由于市場(chǎng)對(duì)高動(dòng)力性能發(fā)動(dòng)機(jī)的需求量愈來(lái)愈大,這也就促使發(fā)動(dòng)機(jī)功率及排量不斷上升。冷卻系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心系統(tǒng)之一,主要功能是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在適宜溫度區(qū)間內(nèi)工作,避免冷卻不足造成發(fā)動(dòng)機(jī)過熱現(xiàn)象[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻的核心部件為冷卻水套,其作用是通過冷卻液在水套中流動(dòng),與發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體、氣缸頭通過熱交換而帶走機(jī)體熱量,保證發(fā)動(dòng)機(jī)在適宜的溫度下運(yùn)行[2-4]。目前,隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和硬件能力的飛速發(fā)展,冷卻水套計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)分析技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)中已得到廣泛應(yīng)用[5-7]。如FONTANESI等[8]分析了柴油機(jī)冷卻水套流動(dòng)特性,為產(chǎn)品散熱性能提供理論指導(dǎo);魏丹等[9]利用Fluent對(duì)冷卻水套進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),在概念布局階段設(shè)計(jì)了滿足高溫區(qū)域流速1.5 m/s設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的水套結(jié)構(gòu)。陳海蘭等[10]通過調(diào)整汽缸墊上水孔和提升水泵能力,實(shí)現(xiàn)了多缸機(jī)各缸水流量合理分配及滿足系統(tǒng)流量需求的冷卻系統(tǒng)總體布局設(shè)計(jì)。黃燦等[11]基于STAR-CCM+軟件搭建了某單缸發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套模型,研究了缸墊上水孔面積及布局對(duì)水套內(nèi)部流動(dòng)的影響。徐英英等[12]基于冷卻液流動(dòng)軌跡提出了基于流動(dòng)路徑分析的水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法。由此可見,采用計(jì)算流體力學(xué)仿真技術(shù)可快速獲取冷卻水套內(nèi)冷卻液流動(dòng)流速分布信息,依據(jù)冷卻液流速分布特征可進(jìn)行針對(duì)性地探究及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì),可大幅度縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,降低開發(fā)成本[13-16]。

為避免某摩托車車用四缸發(fā)動(dòng)機(jī)在耐久試驗(yàn)過程出現(xiàn)因發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋排氣側(cè)及鼻梁區(qū)冷卻不足而出現(xiàn)疲勞開裂問題,以該車用四缸發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套為研究對(duì)象,采用流體分析軟件STAR-CCM+模擬分析水套內(nèi)部冷卻液流速分布特性,評(píng)估排氣側(cè)及鼻梁區(qū)是否滿足高溫區(qū)域冷卻液流速1.5 m/s及以上的流速設(shè)計(jì)要求[17-18]。依據(jù)冷卻水套初始流動(dòng)分析結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性地結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì),調(diào)整缸體水套、上水孔及缸頭水套等結(jié)構(gòu),提升冷卻液流動(dòng)均勻性,縮小各缸冷卻液流量分配比例的差異,確保各缸冷卻均勻。研究結(jié)果可為四缸發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套內(nèi)部冷卻液流速評(píng)估及結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提供仿真數(shù)據(jù)支撐和理論指導(dǎo)。

1 冷卻水套物理模型構(gòu)建

某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的網(wǎng)格模型如圖1所示。網(wǎng)格模型采用流體分析軟件STAR-CCM+中多面體網(wǎng)格(六面體網(wǎng)格)技術(shù)和邊界層網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行劃分,設(shè)置對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格參數(shù):網(wǎng)格基礎(chǔ)尺寸2 mm,最小網(wǎng)格尺寸 1 mm及邊界層厚度0.5 mm、邊界層層數(shù)5層,設(shè)置完成后執(zhí)行網(wǎng)格生成器即可完成網(wǎng)格劃分。圖1中進(jìn)出口拉伸層(Surface Extruder)長(zhǎng)度為100 mm,主要用于提升收斂性。計(jì)算前,對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行冷卻水套流動(dòng)阻力計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證(圖1(c)),低于400萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格,冷卻水套流動(dòng)阻力呈增長(zhǎng)趨勢(shì),當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到400萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格以上,流阻基本趨于一個(gè)值。考慮到計(jì)算精度及效率,本文采用400萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格的計(jì)算域模型進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。圖2為冷卻水套截面示意圖,用于后續(xù)觀察水套內(nèi)部冷卻液流速分布情況,從而分析冷卻水套內(nèi)冷卻液流速及均勻性。

圖1 四缸發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套計(jì)算域網(wǎng)格及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

圖2 冷卻水套截面

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

采用STAR-CCM+中的k-ε兩方程湍流模型進(jìn)行該四缸發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套內(nèi)部冷卻液流動(dòng)的數(shù)值模擬。冷卻液介質(zhì)為50%的乙二醇和50%的水的混合溶液。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中節(jié)溫器部件主閥門處于全開啟狀態(tài)(主閥門開啟溫度在85～90 ℃)且確保發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度在穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài),選擇冷卻液介質(zhì)溫度為95 ℃,該溫度下冷卻液的密度為1026.89 kg/m3,動(dòng)力黏度為7.6×10-4Pa·s。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套內(nèi)冷卻液流動(dòng)假設(shè)為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)狀態(tài),過程中不考慮溫度,因此,四缸發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套內(nèi)冷卻液流動(dòng)過程數(shù)值模擬時(shí)需要求解的數(shù)學(xué)模型方程主要包括流體流動(dòng)基本控制方程(連續(xù)性方程和動(dòng)量方程)、湍流模型方程(k方程、epsilon方程)等[19-20]。求解前需設(shè)置相應(yīng)的邊界條件,水套入口邊界條件設(shè)置為質(zhì)量流量入口,質(zhì)量流量為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速10 000 r/min時(shí)冷卻系統(tǒng)實(shí)測(cè)流量100 L/min換算而得。質(zhì)量流量為1.7115 kg/s。水套出口邊界條件設(shè)置為壓力出口邊界,出口壓力為大氣壓。壁面邊界條件采用STAR-CCM+軟件中Two-layer All Y+ Wall Treatment函數(shù)處理,采用無(wú)滑移壁面條件。完成邊界條件設(shè)置后,即可運(yùn)行求解,計(jì)算收斂后即可對(duì)冷卻水套內(nèi)冷卻液流速分布特性進(jìn)行結(jié)果分析及討論。

3 CFD計(jì)算結(jié)果分析及討論

3.1 模型驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主要包括散熱器、油水交換器、水套及水泵等。冷卻系統(tǒng)總流量值可以在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)下獲取。水泵作為冷卻系統(tǒng)冷卻液供給動(dòng)力源,其性能可以通過水泵試驗(yàn)臺(tái)獲取。冷卻水套作為冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)主要部件,其流動(dòng)阻力特性可以通過零部件流動(dòng)阻力測(cè)試實(shí)驗(yàn)獲得。發(fā)動(dòng)機(jī)零部件流阻測(cè)試的簡(jiǎn)易原理圖如圖3所示。以機(jī)油小車為動(dòng)力源,控制循環(huán)系統(tǒng)的冷卻液溫度以及流量,監(jiān)測(cè)被測(cè)件的進(jìn)出口壓力,最終得到被測(cè)件的流動(dòng)阻力(壓差)。被測(cè)件主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)冷卻系統(tǒng)總成、水套單品、散熱器單品、油水交換器單品等。流量測(cè)量采用東京計(jì)裝流量計(jì)EF-AUTO測(cè)量,測(cè)量量程為0～350 L/min,精度為±0.5%。流動(dòng)阻力(壓差)采用恒河川儀差壓變送器EJA110E測(cè)量,測(cè)量量程為0～300 kPa,精度為±0.04%。按照?qǐng)D3測(cè)試方法測(cè)得冷卻水套100 L/min時(shí)的流動(dòng)阻力為75.6 kPa,仿真值為72.4 kPa,差值為3.2 kPa,誤差為4.2%,誤差在可接受范圍(<10%),表明搭建的冷卻水套流動(dòng)仿真模型具有一定的精度。

圖3 零部件流阻測(cè)試簡(jiǎn)易原理A—機(jī)油小車;B—被測(cè)件(發(fā)動(dòng)機(jī)水套、散熱器、節(jié)溫器);1—流量計(jì);2—機(jī)油小車水泵;3—被測(cè)件入口溫度測(cè)點(diǎn);4—被測(cè)件入口壓力測(cè)點(diǎn);5—泄壓閥;6—被測(cè)件出口壓力測(cè)點(diǎn);7—被測(cè)件出口溫度測(cè)點(diǎn)注:①測(cè)試單品流動(dòng)阻力時(shí),被測(cè)件B為節(jié)溫器、散熱器、發(fā)動(dòng)機(jī)等單品;②測(cè)試含節(jié)溫器部件時(shí),被測(cè)件B為發(fā)動(dòng)機(jī)(含節(jié)溫器)

3.2 冷卻水套初始流動(dòng)結(jié)果

圖4為四缸發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套初始流動(dòng)速度流線圖。從圖4可以看出,1缸、2缸、3缸、4缸的冷卻液流速分布并不一致,其中1缸和4缸中缸頭水套上鼻梁區(qū)流速較大,冷卻液流速基本在1.5 m/s,而2缸和3缸中缸頭水套上鼻梁區(qū)流速較小,冷卻液流速基本在1 m/s左右。四缸冷卻液流速分布不均勻,在發(fā)動(dòng)機(jī)終端產(chǎn)品上的體現(xiàn)則為四個(gè)缸的火花塞墊片溫度(缸溫)會(huì)有明顯的差異。

圖4 冷卻水套初始流動(dòng)速度流線

圖5為冷卻水套各截面流速分布云圖。從圖5(a)可以看出,缸體水套排氣側(cè)端上部分冷卻液流速較低,且部分位置冷卻液流速低于0.5 m/s,不利于該區(qū)域的冷卻。缸頭水套下鼻梁區(qū)冷卻液流速分布較好(圖5(b)),鼻梁區(qū)冷卻液流速基本在1.5 m/s;而缸頭水套上鼻梁區(qū)冷卻液流速分布存在不均勻現(xiàn)象(圖5(c)),1缸冷卻液流速滿足1.5 m/s的冷卻設(shè)計(jì)要求,其他3個(gè)缸鼻梁區(qū)流速都未達(dá)到1.5 m/s,2缸和3缸的冷卻液流速最低。在后續(xù)水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)中需要重點(diǎn)考慮缸頭上鼻梁區(qū)冷卻液流速的均勻性。

圖6為缸頭水套上鼻梁區(qū)各截面示意圖及流量對(duì)比。從圖6可以看出,截面1,3,5,7的流量存在明顯差異,其中截面5的流量最低;截面2,4,6,8的流量差異相對(duì)較小。綜合來(lái)看,1缸流動(dòng)最好,其次分別為4缸、2缸和3缸。

圖6 缸頭水套上鼻梁區(qū)各截面示意及流量對(duì)比

3.3 冷卻水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.3.1 缸頭水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)

圖7為減小缸頭水套中2缸和3缸間通道2流通面積的改動(dòng)示意圖及截面流量結(jié)果。從圖7中可以看出,該通道流動(dòng)面積減小后,從中間通道流走的冷卻液減少,從左側(cè)通道1和右側(cè)通道2流走的冷卻液增大,從而引起截面3,4,5,6流量變化較大,其中截面5的流量相比初始狀態(tài)提升了21 g/s,但截面5的流量仍比截面1,3,7流量低,需要繼續(xù)提升該截面的流量,以達(dá)到流動(dòng)均勻分布的目的。

圖7 缸頭水套改動(dòng)方案1結(jié)果分析

圖8為在缸頭水套改動(dòng)方案1基礎(chǔ)上增大3缸和4缸間通道3流通面積的改動(dòng)示意圖及截面流量結(jié)果。從圖8中可以看出,通道2流通面積減小,通道3流通面積增大后,鼻梁區(qū)截面5和6的流量得到明顯提升,其中截面5流量較缸頭水套改動(dòng)方案1提升了5 g/s,截面5流量與其他同側(cè)截面1,3,7的差距在逐步減小。為了上右側(cè)流量增大,特意將水套入口右移2 mm,查看截面流量變化。圖9為缸頭水套改動(dòng)方案3示意圖及截面流量對(duì)比。從圖9中可以看出,缸頭水套冷卻液入口右移2 mm對(duì)提升截面5的流量有益,截面5流量相比原結(jié)構(gòu)已提升了33 g/s,提升比例100%,與截面1,3,7的流量差距越來(lái)越小。

圖8 缸頭水套改動(dòng)方案2結(jié)果分析

圖9 缸頭水套改動(dòng)方案3結(jié)果分析

在缸頭水套改動(dòng)方案3的基礎(chǔ)上對(duì)左側(cè)通道1流通面積減小,形成缸頭水套改動(dòng)方案4。圖10為缸頭水套改動(dòng)方案4示意圖及截面流量對(duì)比。圖11為缸頭水套改動(dòng)方案4狀態(tài)速度流線圖。由圖10可以看出,截面5流量基本與截面3,7相當(dāng)。由圖11可以看出,缸頭水套上鼻梁區(qū)冷卻液速度基本都在1.5 m/s,比冷卻水套初始狀態(tài)下的鼻梁區(qū)冷卻液流速分布更加均勻。

圖10 缸頭水套改動(dòng)方案4結(jié)果分析

圖11 缸頭水套改動(dòng)方案4狀態(tài)速度流線

在缸頭水套改動(dòng)方案4的基礎(chǔ)上對(duì)缸頭水套排氣下鼻梁區(qū)增加3個(gè)節(jié)流缺口,形成缸頭水套改動(dòng)方案5。圖12為缸頭水套改動(dòng)方案5示意圖及截面流量對(duì)比。從圖12中可以看出,截面5,6,7,8的流量相比缸頭水套改動(dòng)方案4有明顯的提升。在截面1,3,5,7中截面3,5,7流量基本相當(dāng),截面1流量最大;在截面2,4,6,8中截面2,4,8流量基本相當(dāng),截面6流量最大。

圖12 缸頭水套改動(dòng)方案5結(jié)果分析

3.3.2 缸體水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)

從原水套結(jié)構(gòu)環(huán)形截面速度云圖看出缸體水套排氣側(cè)存在速度較低區(qū)域且存在流動(dòng)死區(qū)。缸體水套進(jìn)氣側(cè)部分區(qū)域也存在流速較低區(qū)域。為了改善缸體水套冷卻液流速分布,對(duì)缸體水套結(jié)構(gòu)從缸孔設(shè)置、缸體開口導(dǎo)流等方面對(duì)缸體水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。圖13為在缸體水套進(jìn)氣側(cè)添加2個(gè)缸孔(直徑3 mm)后環(huán)形截面速度云圖對(duì)比。從圖13中可以看出,缸體水套進(jìn)氣側(cè)添加2個(gè)缸孔(圖13(b)中箭頭1和2),該處冷卻液流速得到明顯改善,不存在大面積速度較低的區(qū)域。

為繼續(xù)改善缸體水套排氣側(cè)上部區(qū)域冷卻液流速較低的問題,在缸體水套新增2個(gè)缸孔的基礎(chǔ)上研究4種導(dǎo)流開口尺寸對(duì)缸體水套流動(dòng)的影響。圖14為缸體水套導(dǎo)流開口示意圖。圖15為4種導(dǎo)流口尺寸下環(huán)形截面速度云圖對(duì)比。從圖15中可以看出,開口1和開口2兩種狀態(tài)下缸體水套排氣側(cè)端上部區(qū)域滿足冷卻液流速1.5 m/s的冷卻設(shè)計(jì)要求。開口2狀態(tài)下缸體水套進(jìn)氣側(cè)流動(dòng)略比開口1狀態(tài)好。因此,選擇開口2作為缸體水套導(dǎo)流開口方案。

圖14 缸體水套導(dǎo)流開口示意

3.3.3 冷卻水套總體方案校核

結(jié)合上述缸頭方案和缸體方案研究,最終確定冷卻水套總體改進(jìn)方案如圖16所示。圖17為冷卻水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案狀態(tài)各截面速度云圖。由圖17可以看出,缸體水套排氣側(cè)區(qū)域、缸頭水套下鼻梁區(qū)區(qū)域、缸頭水套上鼻梁區(qū)區(qū)域等高溫區(qū)域處冷卻液流速都滿足速度1.5 m/s的流速要求,表明該冷卻水套可對(duì)高溫區(qū)域進(jìn)行較好的冷卻。

圖16 冷卻水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)總體方案

圖18為冷卻水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后各截面流量對(duì)比。各截面流量都略有提升,表明更多的冷卻液流向缸頭水套上鼻梁區(qū),對(duì)高溫區(qū)域的冷卻更有利。截面1,3,5,7的截面流量占截面總流量的比例在9.08%～10.86%,截面2,4,8的截面流量占截面總流量的比例在13.48%～14.4%,截面6的截面流量占截面總流量的比例為18.11%?？傮w來(lái)說,冷卻水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)后缸頭上鼻梁區(qū)流量分配更加均勻,有利于各缸的均勻冷卻。水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)后流動(dòng)阻力為70 kPa,相比水套原結(jié)構(gòu)流動(dòng)阻力72.4 kPa略有降低,其原因是缸體水套開導(dǎo)流缺口后具有整流減阻的作用,促使缸體水套內(nèi)冷卻液流動(dòng)更順暢。

4 結(jié)論

1) 冷卻水套原結(jié)構(gòu)各缸冷卻液流速分布并不一致,缸頭水套中1缸和4缸上鼻梁區(qū)冷卻液流速可達(dá)1.5 m/s,2缸和3缸上鼻梁區(qū)冷卻液流速基本在1 m/s。4個(gè)缸鼻梁區(qū)截面流量及流量分配比例存在明顯差異,會(huì)造成4個(gè)缸冷卻不均勻。

2) 通過調(diào)整缸頭水套3個(gè)流通通道面積、添加缸頭水套排氣側(cè)節(jié)流缺口、添加缸孔和缸體水套導(dǎo)流開口的方式對(duì)冷卻水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn),形成了冷卻水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。冷卻水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)后,缸體排氣側(cè)區(qū)域、缸頭水套下鼻梁區(qū)、上鼻梁區(qū)等高溫區(qū)域的冷卻液流速均滿足1.5 m/s的流速要求。缸頭水套鼻梁區(qū)各截面流量及流量占比間差異減小,流量分配更加均勻,有利于各缸的均勻冷卻。

3) 針對(duì)多缸機(jī)水套流動(dòng)需重點(diǎn)關(guān)注其流動(dòng)均勻性,通過節(jié)流、整流及導(dǎo)流思路可進(jìn)行水套結(jié)構(gòu)調(diào)整,保證各缸流動(dòng)均勻性。相關(guān)研究結(jié)果可為該四缸發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套散熱性能評(píng)估及結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供仿真數(shù)據(jù)支撐和理論指導(dǎo)。