某小型汽油機冷卻水套CFD模擬計算

崔欣潔，劉云艷，張世偉，王君，周章遐

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

某小型汽油機冷卻水套CFD模擬計算

崔欣潔，劉云艷，張世偉，王君，周章遐

（哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章以我公司某小型4缸1.5L自然吸氣式汽油機為研究對象，利用CATIA軟件建立冷卻水套的3D幾何模型，并進行必要的合理簡化。應用AVL公司FIRE軟件對發動機冷卻水套內的流場進行模擬計算，獲得整個冷卻水套的內部流動。結果表明，冷卻水套設計較為合理，基本達到自然吸氣式水套的冷卻要求，局部區域仍需要優化。

冷卻水套；汽油機；CFD

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.012

CLCNO.: U464.171 DocumentCode: A ArticleID: 1671-7988 (2016)12-35-03

前言

發動機缸蓋機體是發動機的主要部件，其形狀非常復雜，里面的冷卻水通道形狀也非常復雜。試驗證實，燃氣傳給冷卻液的熱量約占燃料總熱量的20%～30%而通過缸蓋傳出的熱量約占發動機傳給冷卻液全部熱量的50%～65%[1]。因此，對缸蓋冷卻水套進行分析和改進，是提高內燃機性能的重要措施。對內燃機冷卻水套的研究，主要采用試驗研究和數值模擬方法[2]。試驗研究方法通常費時、費力、費錢、有樣機產品，設計階段無法進行，隨著CFD技術的發展和成熟，CFD越來越多的應用到汽車和發動機方面，特別是在現代企業中，為了縮短開發周期和節省經費，使用分析軟件進行設計開發特別是改型設計的方案驗證成為重要手段。本文運用CFD軟件對發動機冷卻水套進行流場分析，獲得了詳細的流場信息，并對冷卻效果做出評價，對其不足之處提出改進方案．提供設計參考。

1、冷卻水套CFD分析計算過程簡述

本次分析是以4缸直列4沖程自然吸氣汽油機作為研究對象，研究大小循環全部開啟的工況下，冷卻液在冷卻水套的流動情況。冷卻水循環如下：冷卻液由水泵以一定速度壓力進入缸體冷卻水套，冷卻液流經整個缸體后，在缸體水套內通過缸體缸蓋相連接處的墊片孔流入缸蓋水套，后從缸蓋水套出口流出，大循環部分通過節溫器進入水箱再流回水泵，小循環部分通過節溫器不進入水箱直接流回水泵。

1.1 冷卻水套的CAD模型網格劃分

由于水泵的真實結構復雜，特別是葉片的造型，而我們真正關心的是冷卻水套內部的流動情況，故對水泵部分進行簡化，如圖1所示。

圖1 水泵簡化處理示意圖

1.2 冷卻水套的網格劃分

網格品質的好壞直接影響到數值解和數據的計算精度，而且這種影響在許多情況下甚至是決定性的。目前，在CFD高度發達的美國網格生成所需的人力時間占一個計算任務全部人力時間的60%～80%，可見網格生成是CFD作為工程應用的有效工具所面臨的關鍵技術之一[3]。因此計算網格生成受到世界各國計算流體力學工作者和工業部門的重視，網格的類型及尺度都會直接影響到CFD 計算結果的精度和穩定性。本文采用缸體、缸墊孔及缸蓋分別劃分網格，再使用Arbitrary connect結合，在結合區域，要求網格尺寸相差不大，此種方法生成網格質量較高，特別是缸墊孔區域，能完整保留特征尺寸。在冷卻流動變化比較大的地方和重點關注區域，采用網格加密方法。該模型網格數大約為350萬，網格主要是由六面體單元組成，另外還包括少量五面體和四面體。水套的計算網格模型如圖2所示。

圖2 冷卻水套的網格模型

1.3 數學模型建立

本文的流動計算將水套內的冷卻液視為三維穩態粘性不可壓縮流體的湍流流動，考慮液體內部傳熱和液體與壁面之間的換熱。數學模型在連續方程、動量方程及能量守恒方程的基礎之上，湍流模型和壁面換熱模型。對于湍流的處理，工程上廣為采用的方法是對瞬態N-S方程做時間平均處理，同時補充反映湍流特性的湍流模型k-ε方程，如常用的湍流方程，即湍動能k方程和湍流耗散率ε方程等[4]。

連續方程：

動量方程：

能量守恒方程：

湍動能k方程：

湍流耗散率ε方程：

換熱系數計算方程：

式中Cp為流體比熱容；ρ為流體密度；Pr為有效普朗特數；Pm為分子普朗特數；τw為壁面剪切應力；υ為流體速度；tw為壁面溫度。

1.4 計算邊界條件

邊界條件是指在求解區域的邊界上所求解的變量或其一階導數隨地點及時間變化的規律。只有給定了合理的邊界條件，才有可能算得出流場的解。因此，邊界條件是CFD問題有定解的必要條件[5]。

1.4.1 進出口邊界條件

進口的邊界條件為給定發動機轉速的冷卻液的質量流量并使用用戶函數來加載水泵旋轉方向，葉片的出射角，水泵轉速及速比等。出口邊界共有兩處，一處為大循環出口，出口按照流場充分發展進行處理，即給定任何物理量的梯度為0。另一處為小循環出口，給定出口質量流量。

1.4.2 壁面邊界條件

由于發動機工作時氣缸內的溫度分布較復雜，要想準確地給出發動機冷卻水套各部位的溫度值是極為困難的。因此，本文參考其他型號發動機的試驗數據并結合咨詢公司建議的溫度值設定，近似地給定了本文冷卻水套的壁面溫度值，缸蓋平均溫度為130℃，缸墊孔溫度為120℃，缸體平均溫度為110℃。對于壁面附近的區域采用壁面函數法來處理，本文計算采用標準壁面函數（Standard Wall Function）來進行壁面處理。

1.4.3 發動機冷卻液的設定

計算冷卻液流體為50%水和50%乙二醇（GLYCOL）的混合液，其參數(如密度、比熱、導熱系數等)可以通過CFD中的用戶自定義流體來輸入。

2、冷卻水套的計算結果

本文冷卻水套的模型采用AVL的FIRE軟件計算并進行后處理，分析發動機冷卻水套內的流場生成相關云圖和矢量圖。考慮到水泵部分的簡化處理，水泵處的流動計算不合理，可忽略。

2.1 冷卻水套的速度分布

圖3和圖4分別為冷卻水套和缸蓋水套的速度云圖。如圖所示，整個缸蓋排氣側的流速稍大于進氣側的流速，缸蓋冷卻水套外表面的冷卻液在第一缸附近的流速較低，說明一缸的冷卻效果較差，特別是一缸火力岸處。圖5為缸蓋第一缸墊片孔處的速度矢量圖，明顯看出火力岸處水流速度較低，水流直沖到缸蓋頂部。這是由于水泵旋轉作用，且排氣側的墊片水孔的布置及缸蓋水套的結構影響，使得冷卻液沖入缸蓋頂部，降低了火力岸的冷卻效果。

圖3 冷卻水套的速度云

圖4 缸蓋水套的速度云圖

圖5 缸蓋一缸墊片孔處水套的速度矢量圖

圖6為缸蓋第一缸到第四缸鼻梁區的速度矢量圖。缸蓋鼻梁區的冷卻液第一缸、第二缸的流速略大于第三缸、第四缸排氣側鼻梁區的流速，但流速基本達到2m/s以上，能滿足該區域的冷卻要求。

圖6 冷卻水套的速度云圖

2.2 冷卻水套的換熱系數分布

換熱系數的分布與速度場的分布緊密相關，速度大的地方換熱系數也較大，反之，速度小的地方換熱系數也較小。整個冷卻水套的換熱系數平均值為8273W/(m2·K)，缸體水套換熱系數平均值為6501W/(m2·K)，缸蓋水套換熱系數平均值為8844 W/(m2·K)，都達到了可以接受的范圍，如圖7所示。

圖7 冷卻水套的換熱系數分布圖

2.3 冷卻水套的壓力分布

圖8為冷卻水套的總壓分布。從圖中可以看出整個水套的壓力分布。水套模型的進出口總壓損失為165mbar，總壓損失偏小，水泵所需要的泵水壓力也較小，故水泵有很大的優化空間。

圖8 冷卻水套的壓力云圖

3、結論

本文利用CFD軟件FIRE對1.5L自然吸氣汽油發動機冷卻水套的流場在速度、壓力及換熱系數方面進行了三維數值模擬，并分析其結果得出如下結論：

（1）通過FIRE的流體計算，可以用較少的時間獲得大量流場信息，為此款發動機冷卻水套的優化設計提供重要參考依據。

（2）冷卻水套流場內平均的換熱系數及缸體缸蓋內冷卻液的流速基本滿足冷卻要求，但是由于水泵旋轉的作用，導致一缸墊片孔的排氣側冷卻液流速較大，冷卻液直沖到缸蓋頂部，削弱了缸蓋火力岸處的冷卻效果，需要對該處水套結構進行調整，在此處加強導流作用，改變其流動方向，進而改善冷卻效果。因此，發動機冷卻水套的冷卻能力仍有提升空間。

[1] 關躍,劉文鐵,劉明科等.發動機缸蓋的CFD- CAD設計方法. 哈爾濱 節能技術 2004,1.

[2] 王建東.某發動機冷卻系統的研究.南京 南京理工大學 2008：35-37.

[3] 帥石金, 王志, 王建昕.發動機CAD/ CFD設計技術. 北京 汽車工程 2004,5.

[4] 張師帥.計算流體動力學及其應用. 武漢：華中科技大學出版社2011.

[5] 王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用.北京：清華大學出版社 2004．

CFD Analysis and Simulation Study on Cooling-water Jacket in Gasoline Engine

Cui Xinjie, Liu Yunyan, Zhang Shiwei, Wang Jun, Zhou Zhangxia
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

The research object is a NA gasoline engine. The 3D solid model was created with CATIA.The cooling-water jacket was simulated and analyzed with FIRE software. The flow field and pressure field in the water jacket are obtained. The result shows the design of cooling-water jacket is reasonable ,which is up to the standard of NA engine ,and some section still will be optimized.

Cooling-water Jacket; Gasoline; CFD

U464.171

A

1671-7988 (2016)12-35-03

崔欣潔（1981-），女，就職于哈爾濱東安汽車發動機制造有限公司技術中心，研究方向為發動機冷卻系統分析及其他系統CFD分析計算。