Flowmaster在整車冷卻系統管路優化設計中的應用

周正群 韋善景 梁稱邦 朱茂強 穆建華 楊如枝

【摘 要】文章利用一維流體軟件Flowmaster對公司某車型的整車冷卻系統建立1D管路模型進行穩態不可壓計算，即不考慮溫度的影響，計算分析冷卻系統大、小循環開啟時各冷卻回路的流量分配情況，評估了原車型的冷卻管路設計的合理性，并在原車型冷卻系統的基礎上對新車型的冷卻系統結構管路進行優化設計和模擬分析，對比分析后確定暖風管路優化設計方案。運用仿真軟件進行模擬計算，為零部件的設計開發提供支持，縮短了冷卻系統的設計開發周期。

【關鍵詞】Flowmaster；冷卻系統；冷卻管路；冷卻液流量

【中圖分類號】U464 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）10-0043-04

0 前言

冷卻系統是整車系統中非常重要的子系統結構，合理的管路布置結構，能夠確保冷卻液在各冷卻回路上的流量分配更加合理，使發動機機體溫度維持在合適的工作溫度。發動機工作時產生大量的熱量，如汽油機氣缸內溫度可達到1 800～2 000 ℃。與高溫燃氣相接處的零件受到強烈的加熱，因此需要冷卻。一般來說，燃油燃燒后產生的熱量分配大約30%用于做功，30%通過排氣門排出，10%由發動機表面散發，30%需要由發動機冷卻系統散熱。

如果冷卻系統設計不當，發動機得不到充分冷卻，會過熱。于是，充量系數下降，燃燒不正常，發生早燃和爆燃現象；零件過熱導致材料力學性能降低和產生嚴重的熱應力，導致變形和裂紋；溫度過高，會使機油變質，燒損和結焦而失去潤滑性能，破壞潤滑油膜，零件的摩擦和磨損加劇。這些都將引起發動機動力性、經濟性、可靠性和耐久性的全面惡化。

發動機的冷卻方式分空氣冷卻和液體冷卻2種?？諝饫鋮s就是將空氣吹向帶有散熱片的缸體和缸蓋，直接帶走熱量，這種方式在摩托車發動機上應用較多。液體冷卻就是利用冷卻水在發動機氣缸、燃燒室周圍的水套內流動吸熱，帶走熱量，然后再流到散熱器，將熱量散發到空氣中，如此不斷循環。冷卻水的合適溫度為90～100 ℃。水溫過高或過低對發動機的工作都不利。

液體冷卻是水作吸熱介質冷卻內燃機的高溫零件，然后再將熱量傳給空氣的冷卻裝置。這種冷卻方法的優點是冷卻比較均勻，可使內燃機穩定在最有適宜的水溫下工作，運轉時噪聲小。

冷卻方式根據冷卻液在內燃機中流動方法的不同，分為自然循環冷卻和強制循環冷卻2類?，F代內燃機多數為強制冷卻模式：冷卻液在冷卻水泵的作用下，由水泵進入發動機缸體、缸蓋冷卻，帶走熱量，再經過散熱器，將內燃機傳給冷卻液的熱量散到大氣中，維持冷卻液溫度在合適的范圍內。燃料在發動機氣缸內燃燒后所產生的熱量只有20%～45%轉變為有效功，其他熱量均以不同方式損失掉了。按照熱能表現為有效功和各種損失的數量分配來研究燃燒中熱量的利用情況稱為內燃機的熱平衡。冷卻系統重點關注發動機傳給冷卻液的熱量，按照如下公式計算：

Qt=Qvp cw（t2-t1）

其中，Qvp為冷卻系統的冷卻液每小時的流量，單位為L/h；cw為冷卻液的定壓比熱容，單位為kJ/（kg·K）；t2，t1分別為冷卻液在發動機進口和出口處的溫度，單位為K。

1 冷卻系統結構

冷卻系統分為發動機冷卻系統和整車冷卻系統。發動機冷卻系統的主要功能是提供冷卻液在這個冷卻系統中循環的動力（水泵），吸收發動機產生的熱量（缸體和缸蓋的水套），控制發動機在適合的溫度下運行（節溫器），向整車冷卻系統提供熱量。整車冷卻系統的主要功能是冷卻冷卻液（散熱器），向駕駛艙提供熱量（暖風機），排出冷卻系統中產生的氣體和容納冷卻液膨脹后多出來的冷卻液（溢水壺或膨脹箱）。冷卻系統結構示意圖如圖1所示。

本文通過利用一維熱流體軟件Flowmaster搭建了公司某車型冷卻系統管路模型，進行穩態不可壓（imcompressible steady）計算，即計算冷卻液在大、小循環開啟工況，即溫度在75 ℃（節溫器關閉）和105 ℃（節溫器全開）時，冷卻回路在發動機各轉速下的流量分布情況。并在該車型的基礎上，利用Flowmaster軟件對新車型的冷卻管路進行優化設計，要求新車型和原車型的冷卻能力基本一致。

1.1 Flowmaster軟件簡介

Flowmaster是目前應用非常廣泛的一款一維熱流體仿真軟件，是比較完善的一款系統級仿真軟件，能夠解決含有各種復雜元件的工程應用問題。其發展歷史如下。

1968—1971年，D.S.Miller作為英國流體力學研究協會（BHR）首席主管專家，主要研究2個方面的內容：{1}收集、解釋現有的系統內流損失數據；{2}對大量流體系統部件進行試驗，得到可靠的流動損失數據。

1978年，Miller出版了《Internal Flow Systems》一書，該書包含了大量的試驗設計及原始數據，在此基礎上為系統內流設計提供了詳盡的設計指導方案。

1981年，BHR開始開發一款系統內流計算的商業軟件，集成試驗所得到的全部數據及Miller先生的經驗數據。

1987年，Flowmaster正式投入市場，至今20多年的流體系統仿真咨詢的成功經驗。

2 冷卻系統模擬仿真

2.1 原車型冷卻系統1D模型建立

在3D建模軟件NX軟件中將整車冷卻系統的冷卻管路和相關的冷卻部件依次裝配起來，形成完整的整車冷卻系統3D數模圖，然后根據整車冷卻管路布置3D模型，在Flowmaster軟件中搭建原車型冷卻系統1D仿真分析模型（如圖2所示）。

2.1.1 仿真模型相關參數輸入

2.1.1.1 冷卻水套參數

發動機冷卻水套是整車冷卻系統中很重要的流阻部件，模擬仿真模型中用離散流阻元件代替，需要輸入其流量vs壓力特性數據，一般可通過試驗測量獲得，或者通過3D CFD軟件計算獲得。

2.1.1.2 水泵參數

冷卻水泵是冷卻系統中提供動力的部件，使得冷卻液能夠在冷卻系統管路中流動，模擬軟件中用離心水泵元件表示。模擬元件中需要輸入水泵的性能數據，即揚程—流量—轉速曲線。由于軟件是根據相似原則來模擬水泵性能，因此只需要輸入水泵額定轉速下的轉矩—流量曲線和揚程—流量曲線，再進行相關處理的Suter曲線，水泵數據由水泵供應商提供。

2.1.1.3 節溫器參數

節溫器是控制冷卻液流動路徑的閥門，即控制冷卻循環大、小循環的交替，冷卻系統通過節溫器來調節進入散熱器回路的冷卻水流量，改變冷卻水自身的散熱強度，保證發動機在適宜的溫度下工作。當冷卻液溫度低于節溫器開啟溫度時，節溫器內的感溫介質石蠟呈固體狀態，節溫器閥在彈簧預緊力的作用下關閉冷卻液流向散熱器的通道，冷卻液只能經過旁通通道、水泵返回發動機，進行小循環。當冷卻液溫度達到規定值后，石蠟開始熔化逐漸變成液體，體積隨之增大并壓迫膠管使其收縮口在膠管收縮的同時，對推桿作用以向上的推力。由于推桿上端固定，因此推桿對膠管和感溫體產生向下的反推力使閥門開啟。這時冷卻液經過溫器閥進入散熱器回路，并由散熱器經水泵流回發動機，進行大循環。由于節溫器在加熱和降溫過程中有一定的遲滯效應，因此在軟件元件中需要輸入加熱和冷卻2條節溫器閥門開度隨溫度變化的數據曲線。

2.1.1.4 散熱器參數

散熱器是整個冷卻系統中非常重要的散熱部件，將冷卻液吸收的熱量散發到空氣中，模型中需要輸入壓降隨流量變化特性曲線，一般由供應商試驗測量所得。

2.1.1.5 暖風參數

暖風機是汽車供暖的重要部件，也是整車冷卻系統中非常重要的一個流阻部件，由發動機出來的冷卻液經過暖風機時，將熱量經過換熱翅片傳遞給進入駕駛艙內的冷空氣，給駕駛艙提供舒適溫度的空氣。模擬仿真模型中需要輸入暖風部件的流阻特性數據，一般由暖風機供應商提供試驗數據。

2.1.1.6 冷卻管路尺寸

冷卻系統中的管路一般包括直管、彎管和“T”形接頭。在3D數模中，測量實際管路的結構尺寸，依次輸入1D模型對應的管路元件中。

2.1.2 仿真計算結果及分析

由圖3可以看出，各冷卻回路的流量隨轉速的結果呈線性關系，這是由泵的性能和冷卻系統的流阻特性決定的。在各轉速下，散熱器回路的冷卻液流量占水泵總流量的70%左右，保證了冷卻系統的散熱量；在節溫器全開，發動機轉速在為2 000 rpm，水泵轉速在2 400 rpm時，暖風機冷卻回路流量為11.98 L/min，根據整車需求，在發動機轉速為2 000 rpm，節溫器全開的工況下，暖風回路冷卻液流量要大于6 L/min。要求散熱器回路的冷卻液流量在節溫器全開（大循環開啟）時，各轉速下的流量占總流量的百分比要大于60%；因此，原車型冷卻系統基本能夠滿足整車的冷卻要求。

2.2 新車型冷卻系統1D模型搭建

由于車型業務需求變更，需將原車型的暖風機去掉，為了達到和原車型冷卻效果一致而不影響原車的冷卻，新車型冷卻系統是在原車型冷卻系統的基礎上進行了更改，將暖風機進、出水管路直接短接，其他冷卻回路管路保持不變，但需在短接回路上加節流孔結構，才能達到與原車冷卻系統一致的流量分配情況?，F有節流孔徑6 mm和9 mm 2種方案，需要通過Flowmaster仿真計算后確定節流孔徑大小的方案。新車型冷卻系統管路模型如圖4所示。

2.2.1 仿真計算結果及分析

節溫器全開（105 ℃）工況時，暖風回路、散熱器回路和水泵總流量對比結果如圖5所示，結果對比可知，節流孔徑9 mm方案與原車型的暖風回路流量基本一致，只有低轉速時有較小差異，散熱器回路及水泵總流量與原車流量基本完全重合，可以滿足新車型的冷卻要求；節流孔徑6 mm方案雖然與原車型的散熱器回路和水泵回路的流量相差不大，但暖風回路的流量比原車型的回路小很多，與原車型差異太大。

3 結論

（1）本文主要完成了原車型冷卻系統模擬仿真分析，并且完成新車型2種節流孔方案的一維流場模擬計算分析。

（2）2種方案在大循環開啟工況通過與原車型計算對比分析，在新車型的暖風短接回路上建議采用9 mm的節流孔徑方案，才能達到原車型的冷卻效果。

（3）一維流體仿真軟件Flowmaster用于整車冷卻系統的管路優化設計中，打破了傳統的由樣件生產再到實驗的傳統設計模式，可以大大縮短冷卻管路優化設計開發周期，降低生產設計成本。

參 考 文 獻

[1]周龍保，劉忠長，高宗英.內燃機學[M].第3版.北京：機械工業出版社，2010.

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[3]成曉北，潘立，周祥軍.車用發動機冷卻系統工作過程與匹配計算[J].汽車工程，2008（9）：758-763.

[責任編輯：陳澤琦]