柴油機冷卻水套上水孔結構對冷卻系統流場的影響分析*

（海軍工程大學動力工程學院湖北武漢430033）

柴油機冷卻水套上水孔結構對冷卻系統流場的影響分析*

王東玉 張萍 劉振明 王銀

（海軍工程大學動力工程學院湖北武漢430033）

柴油機冷卻水套結構對水流場分布、冷卻效果及零部件工作的可靠性有直接影響?；贑FD仿真平臺，分析了冷卻水套上水孔（機體冷卻水套上到缸蓋底面位置）不同角度對整機及單缸水流場的影響。結果表明：計算得到的氣液相變區域與實機發生區域較為吻合；上水孔角度選為0°時，整機水流場分布較15°角時更為合理，流動死區得到顯著改善，單缸水套計算得到的含氣率隨上水孔角度變化不明顯。

柴油機冷卻水套上水孔CFD含氣率

引言

柴油機正向著高強度化、輕型化的方向發展，工作負荷越來越大、持續運行時間越來越長，因此對柴油機的冷卻系統提出了精確冷卻的要求[1]，即滿足冷卻效果的同時需保證高的熱功轉換效率，避免零部件的熱裂失效。眾所周知，上水孔在水套內起著對冷卻液流動的導向作用，其流道形狀和總流通面積決定著冷卻液局部流速和流量，直接影響氣缸蓋的冷卻效果。此外，在上水孔位置由于冷卻液流通截面積變小，導致該處易造成壓力損失，同時流道也會發生改變，造成該處流動受阻，冷卻液局部溫度升高，發生氣液相變的幾率增大，在活塞高頻沖擊下，水套壁面也會產生穴蝕現象[2-6]。因此本文基于CFD仿真平臺，以上水孔設計角度為研究對象，開展整機及單缸冷卻系統流場的數值模擬，比較分析設計角度對整機及單缸冷卻系統流場的影響，為加工中該角度的選取提供技術參考[7]。

1研究對象及相關說明

1.1 冷卻系統整機水套結構

圖1為某型柴油機機體上水孔示意圖，圖中給出上水孔流道中心線與水平線的夾角范圍為0°～15°。本文擬針對15°夾角和0°夾角兩種情況，分析冷卻水套上水孔角度對冷卻系統流場的影響。

圖1 柴油機機體上水孔示意圖

圖2為柴油機整機冷卻水套三維模型。主要由水套入口、A缸排水套、B缸排水套、V型夾角內W型水腔組成。圖3為整機剖面圖，中間為W型冷卻水腔。工作中，冷卻液由淡水泵壓入水套入口，經W型水腔分別進入增壓器和各氣缸的下部，各缸冷卻水套中部是相互連通的，其各缸底部由連通水道相連通，冷卻液從冷卻水腔底層向上流動，進入水腔上層后由頂部位置的上水口進入缸蓋水腔，除分布在兩端的四個氣缸布有三個上水口外，其余各缸布有四個上水口，最后由各氣缸蓋出水口匯入支管，流入A、B缸的出水總管，至此冷卻液流出柴油機的本體。圖4為水套頂部位置處上水孔示意圖。

圖2 柴油機整機水套三維模型

圖3 整機水套橫剖面W型水腔示意圖

圖4 上水孔示意圖

1.2 網格劃分、邊界條件的設定及模擬工況說明

對整機水套模型進行網格劃分，網格劃分數量為1 392萬，生成的網格如圖5所示。

圖5 柴油機整機水套模型三維網格圖

模擬工況選擇為額定工況：轉速1 050 r/min，輸出功率5 184 kW。壁面設置選用標準壁面函數，在湍流模型的選擇上采用雙方程模型。具體參數設置如表1所示。

表1 計算參數設置

在上述模擬工況下，分別選取上水孔夾角為15°和0°兩種情況，如圖6所示，分析其對冷卻系統流場的影響。

圖6 上水孔不同角度計算模型

2上水孔不同角度的計算結果與對比

2.1 整機水流場分布的計算結果與對比

圖7為兩種角度下整機水套流場壓力分布圖。從圖中可以看出，15°夾角時W型水腔的平均壓力為337 KPa，0°夾角時W型水腔的平均壓力約為383 KPa。通過對圖中壓力數值的分析，兩種夾角情況下，其上水孔出口位置壓力均為335 KPa，對比0°夾角與15°夾角下的W型水腔平均壓力與上水孔出口壓力差值，上水孔引起的壓力損失有一定的增加，冷卻液流動阻力升高，從上水口進入缸蓋的總冷卻液流量減少。

圖7 兩種角度下整機水套流場壓力分布圖

圖8為兩種夾角下導流孔流動死區水套流線圖。

圖8 兩種夾角下導流孔流動死區水套流線圖

從圖8中可以看出，0°夾角下水套底部連通水道流動死區流線扭曲、變形、斷裂情況較15°夾角下有所加劇，但對比A8缸的流動情況，在W型水腔進口與底部連通水道之間區域流場流線有所改善，圖9為兩種夾角下A8缸水套流場流線對比圖。

圖9 兩種夾角下A8缸水套流場流線對比圖

對單缸水套中W型水腔入口和連通水腔入口之間區域進行了分析，發現此區域中流動死區現象非常明顯，說明流場流動性較差。在兩種夾角下對整機水套進行模擬，圖10為兩種夾角下氣缸水套流線對比圖。觀察A5、B5和B6缸各氣缸的流動死區，對相同位置進行仔細對比，可以觀察到0°夾角的流場分布較15°夾角的流場分布有很好的改善。圖11為兩種夾角下B2、B1缸水套流線對比圖。對B2、B1缸不同夾角下流場流線進行觀察，發現0°夾角下B2、B1缸氣缸外側流場的流動死區情況較15°夾角下有所改善，流場流線的斷裂和扭曲都有所減輕，說明0°夾角下對B2、B1缸的流場分布起到改善作用。

圖10 兩種夾角下A5、B5和B6缸水套流線對比圖

圖11 兩種夾角下B2、B1缸水套流線對比圖

2.2 單缸水流場的計算結果與對比

2.2.1 單缸水套模擬的氣液相變區域與實機發生區域對比

本文選取氣缸套外表面損傷較為明顯的A2缸作為研究對象，圖12為A2缸外表面損傷區域示意圖。

圖12 A2缸外表面損傷區域示意圖

圖13為A2缸單缸水套三維模型，劃分網格數量為423萬，圖14為單缸水套網格圖。如圖所示，模型中有3個進口，6個出口。3個進口：底部連通水道進口inlet4，W型水腔進口inlet5，連通水腔進口inlet7；6個出口：四個上水孔出口outlet1、outlet2與outlet8，底部連通水道進口outlet3，連通水腔出口outlet6。

圖13 A2缸單缸水套三維模型

圖14 單缸水套網格圖

從整機水套流場計算結果中提取單缸水套模擬計算的邊界條件，如表2所示。

表2 單缸水套邊界條件

圖15為壓力曲線及含氣率統計區域圖。與圖12進行對比，在缸套外表面凸肩下方有顯著氣液相變部位，與實際情況中實機發生區域相吻合，證實其仿真方法有效。根據這一結果，將氣相體積組分統計區域設置為距離缸套外表面凸肩下方70 mm處為中心的100 mm×100 mm水套內表面區域。

圖15 壓力曲線及含氣率統計區域圖

2.2.2 兩種工況下單缸水套水流場的計算結果與對比

模擬兩種夾角下單缸水套流場分布，所得壓力和氣相體積組分隨時間變化曲線如圖16、圖17所示。

在曲軸轉角0°至180°范圍內，壓力曲線呈振蕩態勢，0°夾角下平均水平略低于15°夾角下水平；在曲軸轉角180°之后，壓力曲線非常接近，規律振蕩周期內大部分時間幾乎重合，0°夾角下僅僅略高于15°夾角下情況；在540°曲軸轉角和900°曲軸轉角位置，出現局部峰值0°夾角下高于15°夾角下情況，分別約為9 kPa、6 kPa。壓力曲線反映的單缸變化規律和上水孔角度調整前后整機水套壓力云圖所反映的規律一致，總體壓力變化不大。

圖16 兩種夾角下壓力變化曲線

圖17 兩種夾角下含氣率變化曲線

0°夾角下的含氣率曲線幾乎與15°夾角下相重合，說明上水孔機加工角度變化對氣液相變區域含氣率變化影響不大。圖18為兩種夾角下含氣率對比云圖。

圖18 兩種夾角下含氣率對比云圖

3結論

1）仿真計算得到的氣液相變區域與實機發生區域較為吻合，流動情況較差的流動死區可能引起穴蝕發生。

2）上水孔角度選為0°時，整機水流場流動死區得到改善，分布較15°角時更為合理，單缸水套計算得到的含氣率隨上水孔角度變化不明顯。

1徐立華．柴油機氣缸套穴蝕產生的原因、影響因素及防止措施[J]．實驗室研究與探索，2011，30（5）：199-201

2姚濤，張亮亮．氣缸套穴蝕機理分析及其抗穴蝕性能研究[J]．內燃機與配件，2014（6）：38-40

3夏冬升，張會臣，張信偉．基于CFD的柴油機氣缸套冷卻水空化特性數值分析[J]．內燃機學報，2010，28（4）：368-373

4王兆文，黃榮華，成曉北，等．車用柴油機氣缸蓋熱負荷的改善[J]．華中科技大學學報（自然科學版），2008，36（8）：99-102

5徐剛，姜樹李，董非，等．基于CFD分析的單缸風冷柴油機冷卻系統設計與研究[J]．小型內燃機與摩托車，2011，40（6）：62-65

6屈盛官，夏偉，王穎，等．高強化柴油機氣缸套周圍冷卻水流動的數值模擬和試驗研究[J]．內燃機工程，2004，25（4）：32-35

7鄭力銘．ANASYS Fluent 15.0流體計算從入門到精通[M]．北京：電子工業出版社，2015

Analysis of Impact of the Upper Nozzle Structure of Diesel Engine Cooling Water Jacket on Flow Field

Wang Dongyu,Zhang Ping,Liu Zhenming,Wang Yin
College of Power Engineering,Naval University of Engineering(Wuhan,Hubei,430033,China)

Diesel engine cooling water jacket structure has direct influences on flow field distribution, cooling effect and the reliability of components and parts.This article analyses the impact of different upper nozzle angles on the whole flow field of diesel engine and single cylinder flow field based on CFD simulation platform.The results illustrate that:the place of phase transition area through CFD is similar as physical machine.When the angle of upper nozzle chooses 0°,the distribution of whole flow field of diesel engine becomes better than 15°angle of upper nozzle,and the volume fraction of single cylinder has little changes.

Diesel,Cooling water jacket,Upper nozzle,CFD,Volume fraction

TK414.2

A

2095-8234（2016）06-0058-06

2016-09-30）

湖北省自然科學基金面上項目（2016CFB623）：發動機冷卻系統沸騰強化傳熱研究。

王東玉（1987-），男，碩士研究生，主要研究方向為艦船動力及熱力系統的監測、控制與故障診斷。

張萍（1974-），女，副教授，博士，主要研究方向為柴油機冷卻系統優化設計及智能控制。