某型發動機水套CFD分析

程文，王永華，于乾一，武海權

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

隨著人們對發動機小型化、高效率、低排放要求的提高，發動機缸體、缸蓋熱負荷和機械負荷也明顯增加[1]，發動機冷卻問題受到更多的關注。如果設計不當，冷卻能力不足，會導致發動機動力性、經濟性全面變差[2]。更易造成局部過熱，進而由于熱疲勞（低周疲勞）而產生裂紋，造成失效。實踐表明鼻梁區所產生的裂紋大多數是由熱疲勞造成的。因此在設計缸體、缸蓋時要求保證冷卻充分，防止產生局部熱應力過大的現象[3]。所以，增強或改善缸體、缸蓋的冷卻效果對于提高發動機性能指標，延長其使用壽命具有重要的意義。發動機水套結構復雜，用傳統試驗方法測量具有很大難度?，F代CFD技術伴隨著計算機技術、數值計算技術的發展得到了迅速的發展?；驹硎歉鶕抵登蠼饪刂屏黧w流動的微分方程，得到流體流動的流場在連續區域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況。目前已經成為企業產品研發和相關科研院所進行科研實踐的重要手段[4]。其在汽車工程中的應用越來越廣泛，包括汽車產品的整車設計，汽車濾清器濾材仿真參數研究，汽車散熱器仿真研究，汽車空調系統除霜性能模擬分析等[5]。

故本文利用CFD技術分析研究某發動機冷卻水套的冷卻能力，通過對結構參數與計算結果進行分析發現水套性能隨著結構參數變化的規律，找出影響水套性能的主要因素，從而可以從理論上指導實驗工作，減少實驗的盲目性，能夠有效地縮短研發周期，節約研發成本[6-10]。

1 模型建立

采用三維建模軟件Pro/E建立發動機的整體水套模型。由于模型較為復雜，計算時間太長，在對模擬結果不會產生很大影響的前提下，對模型進行一些簡化處理[11]，建立的發動機整體水套模型如圖1所示。為了消除夾具的干涉，對圓內排氣管上水處進行了改進，左側缸體與缸蓋水套模型如圖2所示。網格劃分詳情如表1所示。

圖1 發動機的整體水套模型

圖2 左側缸體與缸蓋水套模型

表1 網格劃分詳情

然后用ICEM軟件對冷卻水套進行網格分析，冷卻水套表面采用三角形網格，流動區域采用四面體網格劃分，整個冷卻水套全部采用非結構化網格。在靠近發動機冷卻水套壁面的區域附近采用附面層網格進行處理，在遠離壁面的地方采用四面體網格單元以適應復雜的三維空間域，同時對流場中流動參數變化較大的地方進行了必要的網格加密[12]。

2 物理模型及邊界條件

冷卻液選用水和乙二醇的1∶1混合液，采用穩態的計算模式，在模擬計算過程中認為冷卻液在水套內的流動狀態是絕熱、不可壓的粘性湍流流動。采用FLUENT進行計算分析，邊界條件為流量入口和流量出口，根據發動機相關零部件設計要求，入口邊界條件為水泵入口流量4.00784kg/s。缸蓋出水口流量135L/min，EGR系統冷卻水流量為40L/min。根據圖3A處入口面積可以求出入口速度。出口邊界條件基于冷卻液為不可壓縮液體，出口壓力約為大氣壓，這樣計算不會對結果造成較大影響。壁面采用無滑移固壁條件，即固體表面上流體的速度和紊流參數為0。物理模型及邊界條件設置如表2所示。

表2 物理模型及邊界條件設置

3 結果與分析

3.1 流速分布

（1）缸體水套

缸體水套的流速分布如圖3所示。從圖中可看出，整體水套流速較高，且比較均勻，只有2缸排氣側水套流速稍低，基本滿足冷卻要求。圖3A處為缸體水套冷卻液入口的位置，上端16孔為冷卻液末端流入缸蓋。由圖可知，在缸體冷卻水套速度分布比較不均勻，出水口的冷卻液流速相差較大，缸體內各部分流速非常不圴勻，缸體水套下部的流動速度明顯低于上部。二三缸間的水套流動速度高達2.8m/s，而一缸前部和三缸后部流速低于0.2m/s。由于各缸孔間水套面積大，使大部分冷卻液通過缸孔間水套流向缸蓋水套，造成一缸前部和三缸后部流速低，流量小。使一缸和三缸冷卻效果較差，很容易出現缸孔局部過熱的情況。

圖3 缸體水套流速分布

（2）缸間斜水孔

缸間斜水孔流速分布如圖4所示，從圖中可以看出，缸間斜水孔流速在0.6m/s以上，可以滿足冷卻要求。

圖4 缸間斜水孔流速分布

（3）缸蓋水套

缸蓋水套流速分布如圖5所示，圖5上部出水孔為缸體冷卻液末端流入缸蓋，C處為缸蓋水套出水口末端流入水箱。由圖可知，缸蓋水套底部鼻梁區流速較高，冷卻液流速在2m/s以上，可以滿足冷卻需求；火花塞與鼻梁區之間冷卻液流速1缸較高，在1.5m/s以上，2、3缸局部稍低，冷卻液流速在1m/s左右；排氣歧管水套上部冷卻液流速較高，下部冷卻液流速較低。

圖5 缸蓋水套流速分布

（4）缸蓋排氣歧管水套

缸蓋排氣歧管水套流速分布如圖6所示。從圖中可以看出，上部冷卻液流速較高，下部冷卻液流速較低，需進行改進減小此孔的橫截面積。

圖6 缸蓋排氣歧管水套流速分布

（5）缸蓋下層水套排-排鼻梁區橫剖面

缸蓋下層水套排排鼻梁區流速分布如圖7所示。從圖中可看出缸蓋下層水套排排鼻梁區冷卻液流速較高，在2m/s以上，可以滿足冷卻需求。

圖7 缸蓋下層水套排排鼻梁區

（6）火花塞與排氣門之間水套剖面

火花塞與排氣門之間水套剖面圖如圖8所示。從圖中可看出1缸火花塞與排氣門之間水套剖面下部冷卻液流速可達1.5m/s以上，2、3缸火花塞與排氣門2之間冷卻液流速稍低，在1m/s左右，仍然可以滿足設計要求。

圖8 火花塞與排氣門之間水套剖面圖

3.2 整個水套流量分配

整個水套的流量分配如圖9所示，圖中可以看出，流量分布左側為51.7%，右側為48.3%，左側與右側冷卻流量分配比較均勻，滿足小于10%的經驗值。

圖9 整個水套流量分布

3.3 總壓分布

水套總壓分布如圖10所示，水泵出水到缸蓋出水管出口的總壓降為0.519bar，滿足冷卻系統設計要求。

圖10 總壓分布

4 結論

對于缸體水套：除了2缸排氣側缸體水套流速稍低外，缸體水套冷卻液流速整體較高，在1m/s左右；缸間斜水孔流速分布一致，在0.6m/s以上。

對于缸蓋水套：缸蓋水套底部鼻梁區流速較高，冷卻液流速在2m/s以上，可以滿足冷卻需求；火花塞與鼻梁區之間冷卻液流速1缸較高，在1.5m/s以上，2、3缸局部稍低，冷卻液流速在1m/s左右；排氣歧管水套上部冷卻液流速較高，下部冷卻液流速較低。

對于水套壓降結果：水泵出水到缸蓋出水管出口的總壓降為0.591bar，在合理范圍內。

綜合來看，排氣歧管上水處水套結構的改進對流場影響不大，雖然CFD計算原則上可以給出流動趨勢判斷和結構上的建議，但是一方面本文所示的待優化項受制于結構限制，并且所關注的高熱負荷區（鼻梁區）流速仍在合理區間內，風險可控；另一方面，最終優化方案仍需要結合溫度場有限元計算，所以暫不做結構改動。