某四缸柴油機冷卻水套CFD分析

段敏，王俊文，張磊，閆鵬斌，魏薇

（遼寧工業(yè)大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000）

某四缸柴油機冷卻水套CFD分析

段敏，王俊文，張磊，閆鵬斌，魏薇

（遼寧工業(yè)大學汽車與交通工程學院，遼寧 錦州 121000）

應用CFD軟件AVL-FIRE，對某四缸柴油機冷卻水套進行三維數(shù)值模擬，得到了冷卻水套的流場速率，壓力損失、溫度場及換熱系數(shù)分布等基本流場信息。計算結果表明，冷卻水套平均流速大于0.5m/s，總壓降僅為21.4kPa，溫度分布在350k～380k合理區(qū)間內(nèi)，缸體前端的冷卻液流速相對較低。該柴油機冷卻水套結構基本能夠滿足設計要求。

柴油機；冷卻水套；流場；CFD

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.024

CLC NO.:U473.1 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-69-03

前言

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)對于保證發(fā)動機正常工作非常重要。它的功用就是將缸體、缸套、缸蓋和活塞等受熱零件的熱量散發(fā)出去。如果冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，引起柴油發(fā)動機的溫度過高，將會使缸內(nèi)的進氣量減少，燃燒品質(zhì)惡化，導致發(fā)動機的功率下降；會嚴重影響金屬材料的機械性能，出現(xiàn)變形、裂紋甚至斷裂。因此，冷卻系統(tǒng)的冷卻性能直接影響著發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性等重要性能及正常運轉［1］。

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)結構十分復雜，想要完成其精準的試驗測試，將會有大筆的試驗開銷，也需要進行大量的試驗次數(shù)。本文應用AVL-FIRE軟件對某四缸柴油機冷卻水套CFD計算分析，給出了整體水套流場速率、壓力損失、溫度分布，然后分析了缸體、缸蓋的速度場和換熱系數(shù)分布情況。通過這些參數(shù)來評價水套結構設計的合理性，為柴油機冷卻水套結構的設計提出意見[2]。

1、計算模型與算法

1.1 計算模型

冷卻水套的幾何模型包括缸蓋、缸體、缸墊、機油冷卻器、節(jié)溫器及水泵。本次計算用一個空腔來代替水泵，以達到不影響水套內(nèi)流動情況的條件下簡化模型的目的。首先，建立冷卻水套流體域CAD（Pro/E）模型，模型以STL文件格式輸出，再將文件導入到AVL-FIRE前處理模塊FAME Hybrid中，而且對冷卻液流動比較的劇烈的缸墊區(qū)域進行了加密處理。得到整體冷卻水套網(wǎng)格數(shù)為2483886個，其中六面體網(wǎng)格數(shù)為2236133個，約占總網(wǎng)格數(shù)的90%，大量的六面體網(wǎng)格有利于提高計算的精度和效率。整體冷卻水套CFD網(wǎng)格模型見圖1。

圖1 冷卻水套CFD網(wǎng)格模型

1.2 控制方程的建立

流體的流動要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[3]。控制方程是這些守恒定律的數(shù)學描述，模擬計算的過程實際上就是求解控制方程的過程。上述各控制方程都可以用以下通用形式表示：

上式中，ρ為體積質(zhì)量，kg/m3；φ是通用量，可以代表速度的3個分量u、v、w，溫度T，湍流能（m2/s2）等求解變量；Γ為廣義擴散系數(shù)，在質(zhì)量守恒方程中為0，在動量守恒方程中代表動力粘度μ，單位Pa·s，在能量守恒方程中代表換熱系數(shù)與比熱容的比值，單位（kJ·W）/(Kg·K 2·m2)；S為廣義源項，在質(zhì)量守恒方程中為0，在動量守恒方程中單位為Pa/m，在能量守恒方程中單位是（kg·K）/(m3·s)。

1.3 求解器的設置

本次模擬計算選用穩(wěn)態(tài)模式，采用應用廣泛的Simple算法求解壓力-速度耦合，動量方程采用二階差分格式（MINMOD Relaxed）；連續(xù)性方程和湍流能方程采用中心差分格式（Central Differencing）；湍流、能量、標量方程的離散格式采用的都是上風格式（Upwind）；采用標準的k-ε湍流模型計算，以標準壁面函數(shù)(Standard Wall Function)處理來處理壁面附近區(qū)域；動量、壓力、湍動能、湍動能耗散率、能量、質(zhì)量原項、粘性、標量的松弛因子分別為：0.6、0.2、0.4、0.4、0.8、1、1、0.8。

2、邊界條件及初始條件

（1）入口邊界條件：給定冷卻水套冷卻液入口流量為3.0kg/s，入口湍動能設置為1m2/s2，湍動能尺度為0.001m，溫度為363k。

（2）出口邊界條件：主要出口給定任何物理量的梯度為零。EGR冷卻器出口為流量出口，流量為0.65kg/s。

（3）壁面邊界條件：在計算中采用假定的壁面溫度，缸蓋、缸體、機油冷卻器、缸墊、節(jié)溫器的溫度分別為393k、373k、383k、373k、383k。

（4）計算初始條件：a）計算選用的冷卻液是體積分數(shù)均為50%水乙二醇的混合液，密度為1000kg/m3，壓力為100KPa，溫度為363k，不可壓縮的流體。b）計算域的初始值：壓力為190KPa，密度為1 000kg/m3，溫度為373K，湍動能為1m2/s2，湍動能尺度為0.001m，速度u=v=w=0，初始模式采用勢流（Potential flow）模式。

3、計算結果分析

3.1 整體水套流場分析

經(jīng)CFD計算，得出該柴油機冷卻水套的整體速度場、壓力場、溫度場分別見圖2，圖3，圖4。

圖2 冷卻水套速度場分布流線

由圖2可以看出該柴油冷卻水套的流動速率分布不均勻，水套總進口冷卻液具有較高的壓力，而各缸冷卻液都要通過主要出口流出，這就造成了總進口和主要出口的高流速，其值高于2.0 m/s；機油冷卻器內(nèi)腔第一個分水口處也有高流速區(qū)域出現(xiàn)，這是由于流動截面變小加快了冷卻液的流動速率。冷卻水套在缸體后端設計有EGR冷卻器出口的結構型式，造成缸體前端區(qū)域的冷卻液流動死緩，流速低于0.2 m/s，缸體各進水孔處速度流線分布紊亂說明有較為劇烈的速度波動現(xiàn)象；根據(jù)AVL-FIRE軟件的CFD計算經(jīng)驗，冷卻液一般流速不得低于0.5m/s才能使冷卻水套冷卻強度達到要求［4］，該柴油機整體水套冷卻液平均流速約為0.8m/s，證明是滿足冷卻要求的。

圖3 冷卻水套壓力場分布

圖4 冷卻水套溫度場分布

從圖3看出，冷卻水套整體壓力分布均勻，缸體水套的壓力高于缸蓋水套的壓力，其中，缸體水套平均壓力約為114.1KPa，高壓區(qū)域出現(xiàn)在冷卻液總入口處，最高壓力值大約為123.5 KPa，壓力損失約為7.3 KPa，損失很小；缸蓋水套平均壓力約為97.6KPa，最低值出現(xiàn)在冷卻液主要出口處，大概有73.6 KPa，壓力損失約為1.1 KPa，壓降也很小，；冷卻液總進出口壓力約為21.4Pa，符合冷卻的要求。

從圖4可看，整體冷卻水套溫度分布均勻，平均約為367k，結果相當合理。缸蓋水套溫度整體高于缸體水套溫度，受高溫的排放氣體影響缸蓋排氣側溫度高于進氣側溫度。高溫部位主要出現(xiàn)在1缸缸蓋水套排氣道附近的局部突出區(qū)域，這與該處出現(xiàn)流動死區(qū)，換熱系數(shù)過低有關。

3.2 缸體冷卻水套流場分析

圖5 缸體冷卻水套速度場與換熱系數(shù)分布

缸體水套平均流速約為0.4m/s，平均換熱系數(shù)約為3863 W/(m2·K)，換熱系數(shù)較低。缸體的流速和換熱系數(shù)分布結果如圖5a和圖5b所示，冷卻液流速大的區(qū)域換熱系數(shù)較高，流速小的區(qū)域換熱系數(shù)較低，其中，由于缸體后端開有一個GER冷卻器出水口及后端的兩個缸墊水孔直徑較大，第3、4缸冷卻水套流速與換熱系數(shù)較大，具有較好的冷卻效果；流動截面變小的分水孔和缸墊水孔冷卻液流速很大，帶走的熱量較多，從而換熱系數(shù)也較高。而缸體水套前端出現(xiàn)冷卻液局部流動死區(qū)，流速很低，換熱系數(shù)僅為2000 W/(m2·K)，所以整個缸體冷卻水套的冷卻均勻性較差。為了改善缸體前端換熱系數(shù)較低的狀況，建議在一缸前端位置開兩個直徑3mm的水流孔。

3.3 缸蓋冷卻水套流場分析

圖6a和圖6b可見，缸蓋換熱系數(shù)的分布與冷卻液流速的大小相關，冷卻液流速大的區(qū)域換熱系數(shù)較高，流速小的區(qū)域換熱系數(shù)較低，而且，缸蓋的速度場與換熱系數(shù)分布并不均勻。缸蓋平均流速約為1.17 m/s，平均換熱系數(shù)約為10203 W/(m2·K)，火力面平均流速大于1.50m/s，換熱系數(shù)高于15000W/(m2·K)，因此，缸蓋的冷卻強度符合要求。一般離冷卻液總入口位置越遠，冷卻液的流速和換熱系數(shù)逐漸遞減，冷卻效果則越弱；由于冷卻水套后端開有EGR冷卻器出口及后端的兩個缸墊水孔直徑較大，缸蓋水套后端的進氣側局部出現(xiàn)了流速及換熱系數(shù)較高的區(qū)域。缸蓋水套下部接近缸墊水孔的區(qū)域由于冷卻液流速較大，隨之換熱系數(shù)較高。1缸缸蓋水套的的上水位置離進水管入口較近且靠近冷卻液主要出口，也有較大的流速及換熱系數(shù)。

圖6 缸蓋冷卻水套的速度場與換熱系數(shù)分布

4、結論

（1）整體冷卻水套平均流速約為0.8m/s，滿足冷卻要求。但冷卻液總進口、主要出口和缸墊水孔處流速高于2.0 m/s；缸體水套底部和進排氣道局部區(qū)域有漩渦出現(xiàn)，造成流動速度的不均勻。

（2）整體冷卻水套的總進出口壓力損失約為21.4KPa，符合要求，最低壓力區(qū)域出現(xiàn)在流動截面變小的冷卻液主要出口處。

（3）整體冷卻水套的溫度分布均勻，1缸缸蓋水套排氣道附近的局部突出區(qū)域溫度相對較高，這與該處出現(xiàn)流動死區(qū)，換熱系數(shù)過低有關，整體溫度分布結果合理。

（4）缸蓋水套整體冷卻強度符合要求，特別是熱負荷較大的火力面冷卻強度較好。冷卻液的流速和換熱系數(shù)逐漸遞減，冷卻效果則越弱；缸蓋水套后端的進氣側局部出現(xiàn)了流速及換熱系數(shù)較高的區(qū)域。

[1] 周龍保,內(nèi)燃機學[M].北京:機械工業(yè)出版社,1999.

[2] 裴梅香,劉斐，金則兵，宋宏利. 應用技術對汽油發(fā)動機冷卻水套進行優(yōu)化設計[J].上海汽車,2012,(6).

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

[4] 陳群.車用柴油機冷卻水套的計算流體力學分析.[博士學位論文].長春:吉林大學,2003.

CFD Analysis on a Four Diesel Engine Cooling Water Jacket

Duan Min, Wang Junwen, Zhang Lei, Yan Pengbin, Wei Wei
（Liao Ning University of Technology Automobile and Traffic Academy, Liaoning Jinzhou 121000）

A3D numerical simulation is conducted on the cooling water jacket of a four diesel engine by CFD-AVL-FIRE. The flow field information is obtaine-d，such as flow field velocity，coolant pressure loss，temperature field and d-istribution of heat exchange coefficient and so on. The calculate result reveal-s that mean velocity in the cooling water jacket is higher than 0.5m/s，total pressure loss through water jacket is 21.4kPa，temperature distribution within the reasonable range of 350k～380k，and the cooling water velocity of part o-f cylinder block front-end is rather slow. The structure of jacket can generally satisfy the cooling requirement.

Diesel; Cooling water jacket; Flow field; CFD

U473.1

B

1671-7988(2016)01-69-03

王俊文，學術碩士，就讀于遼寧工業(yè)大學。