某直軸型波輪發(fā)動機冷卻流道FLUENT仿真分析及設計優(yōu)化

何昌德 楊剛 羅嗣林

摘 要 根據(jù)某直軸型波輪發(fā)動機運動部件排布情況設計其冷卻流道，并建立冷卻流道三維數(shù)值模型，結(jié)合ANSYS FLUENT對冷卻流道的水流特性開展仿真分析，研究進水口排布、進水口直槽角度、進水口壓力、出水口壓力等對水流壓力及流速的影響。結(jié)果表明：其他條件一致時，隨著進水口直槽角度的增大，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力和水流流速均逐漸降低;隨著進水口數(shù)量的增加，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力增大;隨著進水口壓力的增大，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力增大、水流流速增大;隨著出水口壓力的增大，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力增大、水流流速降低。

關(guān)鍵詞 發(fā)動機;冷卻流道;水流特性

Fluent simulation analysis and design optimization of cooling channel of a straight axis wavy wheel engine

He Changde? Yang Gang? Luo Silin

Taizhou Vocational College of Science and Technology， Taizhou 318020，Zhejiang，China

Abstract According to the arrangement of the moving parts of a straight axis wave wheel engine， the cooling channel was designed and the three-dimensional numerical model of the cooling channel was established. Combined with ANSYS fluent， the flow characteristics of cooling channel was simulated and analyzed， the effects of intake arrangement， inlet straight slot angle， inlet pressure and outlet pressure on flow pressure and velocity were studied. The results shows that： when other conditions are the same， with the increase of inlet straight slot angle， the cooling water pressure and flow velocity in the cooling channel gradually decrease. With the increase of the number of water inlets， the cooling water pressure in the cooling channel increases. With the increase of the inlet pressure， the cooling water pressure and flow velocity in the cooling channel increase. With the increase of the outlet pressure， the cooling water pressure and flow velocity in the cooling channel increase， the internal cooling water pressure increases and the flow velocity decreases.

Key words Engine; Cooling channel; Water flow characteristics

引言

隨著汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，能源消耗和環(huán)境污染問題日益突顯，汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能、減排的重要措施之一[1]。有研究表明：汽車總重量每下降1%，其油耗將減少0.6～0.9%，排放量將減少0.4%[2]。傳統(tǒng)發(fā)動機缸體上大多直線排列氣缸孔，曲軸旋轉(zhuǎn)兩周完成一次做功。某直軸型波輪發(fā)動機是一種在圓柱形缸體上環(huán)形排布氣缸的新型發(fā)動機，用正弦波環(huán)形輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)發(fā)動機的曲軸， 環(huán)形輪每旋轉(zhuǎn)一周一個缸體內(nèi)運動部件做功一次，可以通過調(diào)節(jié)正弦函數(shù)的幅值、頻率、初相角形成不同特性的環(huán)形輪，實現(xiàn)不同的動力輸出性能。相較于傳統(tǒng)發(fā)動機，環(huán)形排列發(fā)動機結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、體積小，應用前景廣闊。

冷卻系統(tǒng)作為發(fā)動機不可或缺的重要部分，維持發(fā)動機在適宜的溫度區(qū)間穩(wěn)定工作。冷卻系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響著發(fā)動機的動力性、使用壽命[3]。按照冷卻介質(zhì)的不同，冷卻系統(tǒng)可分為水冷和風冷兩類方式。水冷較風冷冷卻效果好，且便于控制。目前，水冷系統(tǒng)的研究主要集中于試驗法和有限元分析法兩類。水冷系統(tǒng)流道設計中，水流的壓力和流速直接影響其冷卻性能[4]。本文運用ANSYS FLUENT對某直軸型波輪發(fā)動機水冷流道的水流特性進行有限元仿真分析，為波輪發(fā)動機水冷流道的優(yōu)化設計提供重要參考。

1環(huán)形排列發(fā)動機水冷系統(tǒng)流體仿真分析

1.1 模型建立

某直軸型波輪發(fā)動機有6個氣缸，根據(jù)波輪發(fā)動機水冷流道的結(jié)構(gòu)需求，建立三維模型用于ANSYS FLUENT有限元仿真分析，圖1所示為某直軸型波輪發(fā)動機水冷流道示意圖，對水冷區(qū)域進行網(wǎng)格自劃分，根據(jù)冷卻系統(tǒng)的工況，流體與缸體壁面接觸的邊界條件為靜止、無滑移，設置其他邊界條件如下：方案1，水冷流道采用6個進水口周向等距排布模式，進水口壓力為0.10MPa，出水口壓力為0.05MPa，進水口直槽角度分別為30°、45°、60°，研究進水直槽角度對冷卻流道冷卻水壓力及水流流速的影響。方案2，水冷流道進水口直槽角度為30°，進水口壓力為0.50MPa，出水口壓力為0.05MPa，進水口周向等距排布分別為6個、3個、2個，研究進水口數(shù)量對冷卻流道冷卻水壓力的影響。方案3，水冷流道采用6個進水口周向等距排布模式，進水口直槽角度為30°，出水口壓力為0.05MPa，進水口壓力分別為0.10MPa、0.50MPa、2.50MPa，研究進水口壓力對冷卻流道冷卻水壓力及水流流速的影響。方案4，水冷流道采用6個進水口周向等距排布模式，進水口直槽角度為30°，進水口壓力為0.50MPa，進水口壓力分別為0.05MPa、0.10MPa、0.20MPa、0.40MPa，研究出水口壓力對冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力及水流流速的影響。

圖1 某直軸型波輪發(fā)動機水冷流道示意圖

1.2 仿真結(jié)果分析

圖2、圖3所示分別為水冷流道采用6個進水口周向等距排布模式，進水口壓力為100000 Pa，出水口壓力為50000 Pa條件下，進水口直槽角度分別為30°、45°、60°時對應的冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力云圖和水流流速云圖，從圖2可以看出，隨著進水口直槽角度的增大，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力逐漸降低，當進水口直槽角度為30°時，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力最高為82280 Pa;當進水口直槽角度為60°時，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力最高為76550 Pa，表明進水口直槽角度越大，冷卻水水流作用于冷卻水道部位4的壓力就越大。從圖3可以看出，隨著進水口直槽角度的增大，冷卻流道內(nèi)冷卻水水流流速逐漸降低。

圖4所示為水冷流道進水口直槽角度為30°，進水口壓力為500000 Pa，出水口壓力為50000 Pa條件下，進水口周向等距排布分別為6個、3個、2個時對應的冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力云圖，從圖4可以看出，隨著進水口數(shù)量的增加，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力增大，進水口周向等距排布為6個時，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力最高為33610 Pa;進水口周向等距排布為3個時，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力最高為20590 Pa。

圖5、圖6所示分別為水冷流道采用6個進水口周向等距排布模式，進水口直槽角度為30°，出水口壓力為50000 Pa條件下，進水口壓力分別為100000 Pa、500000 Pa、2500000 Pa時對應的冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力云圖和水流流速云圖，從圖5可以看出，隨著進水口壓力的增大，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力增大，進水口壓力分別為100000 Pa時，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力最高為82280 Pa;進水口壓力分別為2500000 Pa時，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力最高為1628000 Pa。從圖6可以看出，隨著進水口壓力的增大，冷卻流道內(nèi)冷卻水水流流速增大。

圖7、圖8所示分別為水冷流道采用6個進水口周向等距排布模式，進水口直槽角度為30°，進水口壓力為500000 Pa，出水口壓力分別為50000 Pa、100000 Pa、200000 Pa、400000 Pa時對應的冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力云圖和水流流速云圖，從圖7可以看出，隨著出水口壓力的增大，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力增大，出水口壓力為50000 Pa時，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力最高為336100 Pa;出水口壓力為400000 Pa時，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力最高為466900 Pa;。從圖8可以看出，在進水口排布、進水口直槽角度和進水口壓力一定時，隨著出水口壓力的增大，冷卻流道內(nèi)冷卻水水流流速降低。

2結(jié)束語

（1）水冷流道采用6個進水口周向等距排布模式，進水口壓力為0.10MPa，出水口壓力為0.05MPa條件下，進水口直槽角度分別為30°、45°、60°時，隨著進水口直槽角度的增大，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力逐漸降低、水流流速逐漸降低。

（2）水冷流道進水口直槽角度為30°，進水口壓力為0.50MPa，出水口壓力為0.05MPa條件下，進水口周向等距排布分別為6個、3個、2個時，隨著進水口數(shù)量的增加，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力增大。

（3）水冷流道采用6個進水口周向等距排布模式，進水口直槽角度為30°，出水口壓力為0.05MPa條件下，進水口壓力分別為0.10MPa、0.50MPa、2.50MPa時，隨著進水口壓力的增大，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力增大、水流流速增大。

（4）水冷流道采用6個進水口周向等距排布模式，進水口直槽角度為30°，進水口壓力為0.50MPa，出水口壓力分別為0.05MPa、0.10MPa、0.20MPa、0.40MPa時，隨著出水口壓力的增大，冷卻流道內(nèi)冷卻水壓力增大、水流流速降低。

參考文獻

[1] 洪騰蛟，董福龍，丁鳳娟，等.鋁合金在汽車輕量化領(lǐng)域的應用研究[J].熱加工工藝，2020，49（4）：1-6.

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[3] 袁新.基于CFD技術(shù)汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配性設計[J].機械設計與制造，2020（4）：156-160.

[4] 初韶群.12V265柴油機水冷系統(tǒng)流動與傳熱性能研究[D].大連：大連交通大學，2019.

作者簡介

何昌德（1967-），男，浙江臺州人;職稱：教授、高級工程師，現(xiàn)就職單位：臺州科技職業(yè)學院機電與模具工程學院，研究方向：汽車發(fā)動機設計研發(fā)。