某國(guó)V柴油機(jī)水套設(shè)計(jì)仿真分析

喻昆，王宏大，王次安

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某國(guó)V柴油機(jī)水套設(shè)計(jì)仿真分析

喻昆，王宏大，王次安

（安徽江淮汽車集團(tuán)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(duì)某型柴油機(jī)水套設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真分析，文中首先對(duì)匹配該發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的分布結(jié)果，以此為邊界對(duì)水套進(jìn)行CFD分析,評(píng)估水套的換熱性能。

CFD；水套；冷卻系統(tǒng)；換熱性能

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-223-03

前言

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，在燃油的燃燒過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度以極快的速度提升，如不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的冷卻換熱，則發(fā)動(dòng)機(jī)各方面性能將大大下降，甚至可能引起拉缸和活塞燒蝕等問題，嚴(yán)重的影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。因此發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻問題一直是發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)人員關(guān)注的重點(diǎn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻主要通過三種方式1、發(fā)動(dòng)機(jī)熱輻射2、發(fā)動(dòng)機(jī)本體的導(dǎo)熱3、發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)部冷卻液的對(duì)流換熱。其中發(fā)動(dòng)機(jī)絕大部分熱量是通過發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的冷卻液流動(dòng)帶走，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中，水套的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本文就公司某型國(guó)V柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)水套進(jìn)行分析，評(píng)估水套的換熱性能。

1、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)分析

1.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型主要根據(jù)整車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的布置利用一維流體計(jì)算軟件進(jìn)行模型的建立，本次計(jì)算中冷卻系統(tǒng)的原理圖如圖1所示：

圖1 冷卻系統(tǒng)原理圖

圖2 冷卻系統(tǒng)分析模型

依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)原理圖及冷卻系統(tǒng)三維數(shù)模的幾何參數(shù)在Flowmaster中搭建一維分析模型。構(gòu)架發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)分析模型如圖2所示：

1.2 邊界條件

計(jì)算中冷卻液為50%水與乙二醇混合液，計(jì)算工況為發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速節(jié)溫器全開工況，其中各部件流動(dòng)阻尼如下圖3所示：

圖3 各部件流阻數(shù)據(jù)示意圖

水泵性能數(shù)據(jù)如圖4所示：

圖4 水泵suter曲線

1.3 分析結(jié)果

通過1D冷卻系統(tǒng)分析得出發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)各部件冷卻液流量：

以上分析數(shù)據(jù)將作為發(fā)動(dòng)機(jī)水套分析各進(jìn)出口的輸入邊界。

2、發(fā)動(dòng)機(jī)水套仿真

2.1 水套模型及網(wǎng)格劃分

圖5 水套網(wǎng)格模型

根據(jù)設(shè)計(jì)思想該發(fā)動(dòng)機(jī)水套為4缸機(jī)水套，設(shè)有一個(gè)冷卻液進(jìn)口和四個(gè)冷卻液出口。通過Hypermesh前處理軟件對(duì)模型進(jìn)行前處理，并進(jìn)行面網(wǎng)格的劃分。表面網(wǎng)格劃分完畢，利用Star—CD軟件對(duì)模型進(jìn)行三維網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格尺寸絕大部分為1～2mm，其中缸墊部分因模型較小進(jìn)行細(xì)化，網(wǎng)格尺寸為0.5mm，網(wǎng)格總數(shù)約為156萬計(jì)算模型如圖5所示。

2.2 邊界條件

計(jì)算中發(fā)動(dòng)機(jī)水套各進(jìn)出口冷卻液流量邊界為1D分析結(jié)果，其中缸體、缸墊、缸蓋壁面溫度及進(jìn)口冷卻溫度如下：

進(jìn)口冷卻液溫度：368K

缸體壁溫：115℃

缸墊壁溫：125℃

缸蓋壁溫：125℃

其中水套冷卻液進(jìn)口壓力依據(jù)1D分析結(jié)果設(shè)為2.75bar。

2.3 CFD分析結(jié)果

2.3.1 缸蓋水套分析結(jié)果

據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)水套計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，缸蓋水套分析主要考察缸蓋水套鼻梁區(qū)的換熱和流速能否滿足要求。圖6為缸蓋水套換熱系數(shù)分布示意圖：

圖6 缸蓋水套換熱系數(shù)分布示意圖

從圖6計(jì)算結(jié)果來看缸蓋水套鼻梁區(qū)（圖中紅圈位置）換熱系數(shù)均能達(dá)到14000W/m2.K的換熱要求，說明缸蓋換熱重點(diǎn)部位設(shè)計(jì)良好，缸蓋其他部位換熱系數(shù)良好能夠滿足需求。

圖7為缸蓋流速在0-3m/s范圍內(nèi)的速度云圖，從速度云圖中可以看出冷卻液通過缸體水套進(jìn)入缸蓋水套排氣側(cè)，冷卻液流經(jīng)缸蓋鼻梁區(qū)縱向流經(jīng)水套到達(dá)水套出水口，因而缸蓋排氣側(cè)換熱優(yōu)于進(jìn)氣側(cè)。

圖7 缸蓋水套流場(chǎng)示意圖

從缸蓋結(jié)果來看，缸蓋水套換熱良好，冷卻液流動(dòng)均勻無流動(dòng)滯止區(qū)域，缸蓋水套的換熱能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行需求。

2.3.2 缸體水套分析結(jié)果

缸體水套在計(jì)算分析中重點(diǎn)關(guān)注缸體火力岸面得換熱和流速能否滿足要求。圖8為發(fā)動(dòng)機(jī)水套換熱系數(shù)分布示意圖，從圖中可以看出一缸和二缸火力岸面的換熱系數(shù)較能夠滿足5700W/m2.K的換熱要求；三缸水套均存在小部分區(qū)域換熱系數(shù)約為4500W/m2.K左右，四缸水套火力岸面大部分區(qū)域換熱系數(shù)為4000W/ m2.K，總的來看該缸體水套的換熱良好能夠滿足需求。

圖8 缸體水套換熱系數(shù)分布示意圖

圖9 缸體水套流場(chǎng)示意圖

圖9為缸體流速在0-2m/s范圍內(nèi)的速度云圖，從速度云圖中可以看出冷卻液進(jìn)入水套后沿水套進(jìn)口兩側(cè)進(jìn)行流動(dòng)，從速度場(chǎng)分布來看，缸體水套各部位冷卻液流動(dòng)正常，未出現(xiàn)流動(dòng)滯止區(qū)，說明缸體水套有利于冷卻液流動(dòng)。

從缸體結(jié)果來看，缸體水套換熱良好，冷卻液流動(dòng)均勻無流動(dòng)滯止區(qū)域，缸體水套的換熱能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行需求。

3、結(jié)論

1）從分析結(jié)果來看，該發(fā)動(dòng)機(jī)水套具有良好的換熱性能及優(yōu)良的內(nèi)部設(shè)計(jì)，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)說明該水套設(shè)計(jì)合理。

2）在發(fā)動(dòng)機(jī)水套分析中采用一維和三維聯(lián)合仿真有利于獲取準(zhǔn)確的輸入邊界，從而能夠保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性

[1] 王宏大,李娟等.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(guó).車輛冷卻傳熱[M].北京理工大學(xué)出版社,2001.

Simulation analysis on the water jacket of the V diesel engine

Yu Kun, Wang Hongda, Wang Cian
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

The diesel engine water jacket is calculated by 1D and 3D simulation. First the flow rate of the water jacket outlet can be determined by the 1D the analysis. Then the 3D analysis of water jacket can be done using the result the 1D analysis as boundaries. Evaluate the heat transfer capability of the water jacket through the result 3D analysis.

CFD; cooling system; water jacket; heat transfer

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-223-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.077

喻昆，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。