某型柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真分析

楊肖，王宏大

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

某型柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真分析

楊肖，王宏大

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

利用一維、三維聯(lián)合仿真方法對某型柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。首先對發(fā)動機(jī)水套進(jìn)行CFD分析，通過CFD分析獲得水套內(nèi)部冷卻液流動阻尼，然后以CFD結(jié)果為邊界條件進(jìn)行發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)分析，對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的布置方案進(jìn)行評估。

冷卻系統(tǒng)；CFD分析；阻尼

0 引言

文中利用三維分析軟件Fire對發(fā)動機(jī)水套進(jìn)行CFD分析，通過CFD分析可以得出不同流量下水套內(nèi)部各部分的冷卻液流動阻力；利用一維分析軟件Flowmaster建立匹配該柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)，以三維分析結(jié)果為輸入邊界，得出匹配該發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)冷卻液流量分配結(jié)果；通過對計(jì)算結(jié)果的分析評估，選擇發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置方案。

1 發(fā)動機(jī)水套流阻計(jì)算

發(fā)動機(jī)冷卻水套流動阻力分析主要目的就是通過設(shè)置冷卻液的不同流量對發(fā)動機(jī)內(nèi)部冷卻液的流場進(jìn)行模擬分析，然后將水套的進(jìn)口與各冷卻液出口進(jìn)行壓力比較，得出水套內(nèi)部不同支路的冷卻液流動阻力，為一維冷卻系統(tǒng)分析提供輸入邊界。

1.1 水套模型及網(wǎng)格劃分

所涉及水套設(shè)計(jì)有1個冷卻液進(jìn)口，4個冷卻液出口，包含：油冷器冷卻液出口、EGR冷卻器出口、暖風(fēng)冷卻液出口和散熱器冷卻液出口。其中油冷器和EGR冷卻器出口在缸體水套上，暖風(fēng)和散熱器出口在缸蓋水套，該發(fā)動機(jī)水套模型如圖1所示。

通過前處理軟件Hypermesh對處理好的幾何模型進(jìn)行面網(wǎng)格的劃分，然后將面網(wǎng)格以Stl格式導(dǎo)入到AVL Fire軟件中，并對水套進(jìn)行流體網(wǎng)格的劃分。缸蓋水套主體區(qū)域網(wǎng)格尺寸為1 mm，鼻梁區(qū)、缸蓋水套上水口面及某些狹小區(qū)域網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，處理好的流體網(wǎng)格總數(shù)為1 527 653，水套網(wǎng)格模型如圖2所示。

1.2 CFD分析邊界條件

此節(jié)計(jì)算分析主要目的：通過模擬分析得出水套內(nèi)部冷卻液的流動阻力。在此次分析中，水套的進(jìn)口和出口分別設(shè)為流量邊界。共進(jìn)行5種工況分析，具體邊界條件如表1所示。

那天晚上，溫衡住在陶小西家的客房里，許久都睡不著，她跑去陶小西的房間，看著他沉睡的臉，心里生出一絲難過，也許她跟陶小西再也回不到小時候了。

表1 水套進(jìn)出口流量邊界 L·min-1

發(fā)動機(jī)水套所用的冷卻液為50%水和50%乙二醇的混合液，計(jì)算中主要關(guān)注冷卻液的黏性、導(dǎo)熱率、比熱和密度。文中分析中選取冷卻液溫度為95 ℃時的物性，具體如表2所示。

表2 冷卻液物理特性

1.3 CFD分析結(jié)果

經(jīng)過5次分析得出水套進(jìn)出口的壓力，分別用進(jìn)口面壓力減去各出口面壓力得出不同流量下對應(yīng)的壓力損失。根據(jù)水套的設(shè)計(jì)共4組壓力損失數(shù)據(jù)，分別為散熱器支路、暖風(fēng)支路、油冷器支路和EGR支路，如圖3所示。

圖4為水套流量180 L/min時，水套的壓力分布示意圖。

發(fā)動機(jī)水套CFD分析結(jié)果顯示：暖風(fēng)支路的冷卻液流阻最大，EGR支路次之，油冷器支路和散熱器支路冷卻液流阻較小，這也符合散熱器作為整車?yán)鋮s器需要較大冷卻液流量的需求。

2 冷卻系統(tǒng)仿真分析

2.1 計(jì)算模型

冷卻系統(tǒng)分析首先需要依據(jù)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案確定冷卻系統(tǒng)的走勢及部件需求，圖5為文中需要分析的冷卻系統(tǒng)原理圖，可以看出：機(jī)油冷卻器和EGR冷卻器并聯(lián)從發(fā)動機(jī)缸體取冷卻液，機(jī)油冷卻器回水至水泵前，而EGR冷卻器回水至暖風(fēng)前；散熱器和暖風(fēng)并聯(lián)從缸蓋取冷卻液，分別回水至水泵前。

依據(jù)圖5所示冷卻系統(tǒng)布置方案，結(jié)合冷卻系統(tǒng)管路三維模型、冷卻部件性能完成冷卻系統(tǒng)模型建立，如圖6所示。

從圖6可以看出：冷卻系統(tǒng)包含了發(fā)動機(jī)組件、暖風(fēng)、散熱器、油冷器和EGR支路，分析中不涉及換熱分析，因此各冷卻部件均以阻尼元件替代。

2.2 邊界條件

文中計(jì)算中冷卻液為50%水和50%乙二醇的混合液，計(jì)算過程僅分析發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速節(jié)溫器全開狀態(tài)，計(jì)算邊界中主要包括4大部分：發(fā)動機(jī)水套阻尼；冷卻部件阻尼(如圖7所示)；發(fā)動機(jī)水泵性能(如圖8所示)；管路阻尼。

管路設(shè)置，此次計(jì)算中主要連接管路為鋼管和橡膠管，故管路Roughness值設(shè)為0.025；管路的長度和直徑均來自于實(shí)際測量。

2.3 結(jié)果分析

發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速工況時，通過分析，系統(tǒng)的冷卻液流量分布如圖9所示。

(1)發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速時散熱器的冷卻液流量最大達(dá)到115 L/min，結(jié)合發(fā)動機(jī)功率來看當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻液進(jìn)出散熱器溫差達(dá)到8～9 ℃即可滿足冷卻要求，該溫差屬于正常溫差，說明散熱器流量能夠滿足發(fā)動機(jī)需求；

(2)發(fā)動機(jī)前后暖風(fēng)總流量為44.5 L/min，如進(jìn)出暖風(fēng)的冷卻液溫差達(dá)到1.9 ℃時，則暖風(fēng)散熱量可達(dá)到5 kW，該溫差屬于正常溫差，說明暖風(fēng)能夠滿足整車需求；

(3)油冷器和EGR冷卻液流量分別為53.2和23.5 L/min，依據(jù)發(fā)動機(jī)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，該流量均能滿足需求。

圖10顯示了冷卻系統(tǒng)壓力計(jì)算結(jié)果，計(jì)算中，根據(jù)實(shí)際情況將水箱壓力設(shè)為0.13 MPa，從結(jié)果看冷卻系統(tǒng)中壓力分布正常未出現(xiàn)壓力劇烈波動點(diǎn)，計(jì)算得出水泵前的壓力約為0.086 MPa，系統(tǒng)的壓力損失約為0.191 MPa。從系統(tǒng)壓力分布來看，系統(tǒng)壓力較高,發(fā)生汽蝕的可能性較小。

從冷卻系統(tǒng)冷卻液流量和系統(tǒng)壓力分布來看，該冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理，能夠滿足發(fā)動機(jī)的冷卻需求。

3 結(jié)束語

主要利用三維、一維聯(lián)合仿真方法對某型發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行評估，文中首先根據(jù)某型發(fā)動機(jī)初步設(shè)計(jì)水套進(jìn)行CFD分析，計(jì)算得到水套各出口流阻特性，然后以水套流阻特性、各部件流阻特性和水泵性能曲線作為邊界進(jìn)行整車?yán)鋮s系統(tǒng)一維分析，計(jì)算得出發(fā)動機(jī)各支路的冷卻液流量分配和系統(tǒng)壓力的分布狀況，從而對該發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)布置進(jìn)行評估，為發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的布置方案提供理論支持。

【1】王宏大，李娟,祝慧,等.基于CFD技術(shù)的水套優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車制造業(yè)，2012(5):77-78.

【2】姚仲鵬，王新國.車輛冷卻傳熱[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2001.

Simulation Analysis for Diesel Engine Cooling System

YANG Xiao，WANG Hongda

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230601,China)

The diesel engine cooling system was calculated by 1D and 3D simulation methods. First the pressure drop of the water jacket was acquired by CFD method. Then the flow damp of the cooling system was obtained based on CFD results.At last,taking the CFD results as boundary, the cooling system of the diesel was simulated to evaluate the layout project of the diesel cooling system.

Cooling system；CFD analysis；Flow damp

2015-06-16

楊肖，男，本科，從事發(fā)動機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)工作。E-mail：whd.dly.jszx@jac.com.cn。