電磁式發動機水冷系統流固耦合傳熱研究

張 云，張瑞賓,2，莫德赟，劉曉剛

（1.桂林航天工業學院汽車與交通工程學院，廣西 桂林 541004；2.長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

電磁式發動機是一種新型發動機，具有結構簡單、性能可靠等優點。電磁線圈是其核心部件。電磁線圈的溫度過高會導致其內阻過大，以致發動機的工作效率降低。電磁線圈內部的散熱性較差，處于中心位置的導線相對于外部更容易被熔斷。因此，電磁線圈水冷系統的優化設計是提高發動機性能的重要手段。電磁式發動機的散熱主要通過冷媒換熱，即：冷卻液進入水冷系統與電磁線圈表面進行熱交換，水流帶走電磁線圈表面的熱量而使電磁線圈冷卻。

流固耦合的方法已在電機和發動機水冷系統的的設計中得到廣泛應用。李青青等［1］針對電機系統內部熱交換情況，根據流固耦合理論，獲得了電機整機及關鍵部件的溫度場分布。王曉遠等［2-3］以電機機殼的水冷結構為研究對象，比較了3種不同水路的冷卻效果，通過流固耦合分析得到了高功率密度電機的溫度分布。張強等［4］根據流固耦合理論推導出換熱管固體域、管內流體域的界面溫度和熱流密度的迭代格式和收斂判別方法。佟文明等［5］基于計算流體動力學以及數值傳熱學理論，利用有限體積法得到了電機水冷系統的溫度分布和冷卻液的流速、流阻。田玉冬等［6］以車用電機為研究對象，采用有限體積法，根據計算流體動力學求得了電機的溫度場分布及其冷卻水路內流體的流動特性。梁炳南等［7］以鋼質液箱為研究對象，運用有限元分析軟件ADINA（automatic dynamic incremental nonlinear analysis，自動動態增量非線性分析）對液箱在不同約束條件下的流固耦合現象進行分析。梁培鑫等［8］綜合考慮了電機冷卻水路的散熱效果及其對外部散熱器和泵體結構的影響，給出了基于電機長徑比的電機冷卻水路的選擇方法。錢洪［9］對高功率密度電機的軸向水冷系統和螺旋水冷系統的特點進行了分析和比較，提出了電機水冷系統的選用方法。李建成等［10］基于流體力學和電機傳熱理論設計了礦用隔爆型電機的水冷結構，編寫了計算溫升的程序。趙永強等［11-14］將泵內流場和螺桿的結構進行耦合分析，得到在不同工況下螺桿的變形和應力分布規律。吳波等［15］利用CFD（computational fluid dynamics，計算流體動力學）軟件的流固耦合計算功能進行制動盤的瞬態傳熱數值計算，得到了流固耦合系統的溫度場。筆者采用Fluent流體仿真軟件，結合有限元方法，構建電磁式發動機水冷系統流固耦合模型，以獲取水冷系統流場和溫度場的分布信息，并通過實驗來驗證該水冷系統的傳熱性能。

1 水冷系統流固耦合傳熱的數學模型

流固耦合是指流場與固場通過媒介交換耦合信息，并進行場間的交叉迭代。可分為單向和雙向兩種流固耦合類型。電磁式發動機水冷系統的冷卻水套在冷卻液作用下發生的形變量很小，即流場的邊界形貌由固體變形導致的改變很小，固體變形不影響流場分布，因此本研究屬于單向流固耦合的范疇。

電磁式發動機水冷系統內冷卻液的流動和換熱遵循能量守恒、質量守恒、動量守恒三大定律，冷卻水套穩態溫度場的導熱遵循拉普拉斯方程。其基本方程如下［16］：

式中：ρ為流體密度；φ為廣義變量；u為速度；Γ為相對于φ的廣義擴散系數；s為動量方程源相；T為固體的溫度；t為時間。

電磁式發動機水冷系統流固耦合傳熱的數學模型如下［17］：

式中：Δp為冷卻液沿程的阻力損失；f為冷卻液的壓力損失系數；vAmin為水冷系統中最小流通面積的液體速度；ki和ko分別為冷卻液進口和出口處的壓力損失因數；σ為水冷系統的最小流通率；vi和vo分別為冷卻液進口和出口處的速度；vm為冷卻液的平均速度；a為冷卻液與冷卻水套間的摩擦因數；A為冷卻系統的散熱面積；Ac為冷卻系統最小流通面的面積；Re為雷諾數。

2 水冷系統流固耦合傳熱仿真分析

流固耦合場的仿真分析要求仿真軟件具有在統一的界面和數據庫下同時模擬和分析多種耦合現象的功能。基于流固耦合模塊，利用有限元仿真軟件進行流固耦合分析。流固耦合仿真分析的流程如圖1所示。

圖1 流固耦合仿真分析的流程Fig.1 Flow of fluid-solid coupling simulation analysis

2.1 流固耦合模型的建立

利用UG（Unigraphics）軟件建立電磁式發動機結構模型。電磁式發動機的結構如圖2所示，其由電磁線圈、活塞、連桿、冷卻水套和傳動總成等組成。電磁線圈與蓄電池組連接。活塞與電磁線圈的中心滑槽同軸設置，一端與連桿的一端轉動連接。連桿的另一端與發動機主體連接，并驅動發動機主體運轉。冷卻水套內設有環形間隙槽（位于水套內外壁之間中空處），一側設有冷卻液進口，另一側設有冷卻液出口。

電磁式發動機水冷系統如圖3所示。冷卻液經過水泵加壓后，通過進水口進入水冷系統內部的管道，與發動機的電磁線圈進行熱交換后溫度急劇升高，在水冷系統內部與空氣進行熱交換后從出水口流回水箱。冷卻水套的材料為鋁合金。鋁合金屬于逆磁性材料，在外磁場的作用下產生的合磁矩很小，磁旋渦產生的熱量很小。鋁合金的磁導率約為1.000 22。

2.2 流固耦合模型的網格劃分

2.2.1 固場網格劃分

圖2 電磁式發動機的結構Fig.2 Structure of electromagnetic engine

圖3 電磁式發動機水冷系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of water cooling system of electromagnetic engine

采用hypermesh軟件劃分固場網格，便于網格優化。在進行網格劃分之前，須對模型進行幾何清理和幾何劃分，進行人工優化。網格劃分之后，采用quality index檢查網格，通過cleanup tools進行優化。固場網格劃分如圖4所示。從圖可知，網格分布均勻且沒有出現網格不合格的情況，網格質量理想。

圖4 流固耦合模型固場網格劃分Fig.4 Grid division of solid field in fluid-solid coupling model

2.2.2 流場網格劃分

采用四面體網格進行流場網格劃分，如圖5 所示。在冷卻液進出口處進行網格加密，以提高計算的準確性。流體場網格劃分時，如果局部網格過小，可能導致最終不收斂，甚至導致分析結果不正確，因此在水冷系統內壁面沒有出現過小的網格。

圖5 流固耦合模型流場網格劃分Fig.5 Grid division of fluid field in fluid-solid coupling model

2.3 流場分布仿真分析

由費里德曼-赫姆霍滋方程可知［18］，在高速流體中出現卡門渦流極具隨機性。當仿真時間t=8 h時，水冷系統溫升趨于穩定狀態，此時冷卻液流速分布如圖6所示。由圖可知，水冷系統進、出口處的流速均約為1.7×104mm/s，比其他部位大很多，出現了層流分離。水流在高速時，不可避免地會出現紊流，進而演變成漩渦。在大的漩渦作用下，水冷系統如果存在死角區域，則死角區域進而會演變成死區。死角區域內流體的流速近似為0 mm/s，不利于熱交換。同時，由于與高速流體的流速相差非常大，根據層流理論，死角區域內的流體會使周圍流體的運動阻力加大，流速變小。

圖6 冷卻液流速分布（t=8 h）Fig.6 Coolant flow rate distribution（t=8 h）

當t=8 h 時，冷卻液流經區域如圖7 所示。冷卻水由進水口流入，水冷系統的大部分區域成為無流區，導致其熱量整體分布不均勻。采用導熱性較好的鋁合金可以提高無流區局部散熱能力，且電磁線圈極限溫度不高，因此可以滿足設計要求。

2.4 溫度場分布仿真分析

當t=8 h 時，水冷系統內表面的溫度云圖如圖8所示。水冷系統內表面與電磁線圈接觸，其溫度與水流的流速相關。流速快時，水流帶走的熱量較多；流速慢的區域的溫度約為75.4 ℃，這個高溫區與死角區域的位置一致。

圖7 冷卻液流經區域（t=8 h）Fig.7 Coolant flow through area（t=8 h）

圖8 水冷系統內表面的溫度云圖（t=8 h）Fig.8 Temperature nephogram of inner surface of water cooling system（t=8 h）

當t=8 h 時，水冷系統外表面的溫度云圖如圖9所示。水冷系統進水口處的溫度約為27.3 ℃，出水口處的溫度為約43.7 ℃。進出口采用對角設置，使得熱量吸收較均勻。

圖9 水冷系統外表面的溫度云圖（t=8 h）Fig.9 Temperature nephogram of external surface of water cooling system（t=8 h）

3 實驗驗證

為了驗證電磁發動機水冷系統換熱性能仿真結果的正確性，進行水冷系統冷卻實驗。實驗裝置如圖10所示，主要由溫度傳感器、流速控制器和測試計算機等組成。其中：溫度傳感器分別置于冷卻液進出口處和電磁線圈內部；流速控制器用于調節冷卻液的流速大小；測試計算機用于實時處理所采集的數據。根據QC/T 413—2002《汽車電氣設備基礎技術條件》中的規定進行電磁線圈的溫升實驗。實驗室環境溫度為26 ℃，設定冷卻液流速為1.7×104mm/s，電磁線圈通電連續工作8 h后達到穩定的溫升，且30 min內溫度上升值不大于1 ℃。測量水冷系統各關鍵部位的溫度，測得進水口處的溫度為26.4 ℃，出水口處的最高溫度為46.7 ℃，說明設計的水冷系統具有較好的傳熱降溫作用。

圖10 水冷系統冷卻實驗裝置Fig.10 Cooling experimental device of water cooling system

4 結 論

為了解決電磁式發動機電磁線圈的散熱問題，以其水冷系統的流場和固場為研究對象，提出水冷系統流固耦合傳熱的數學模型。建立了水冷系統的仿真模型，利用CFD 軟件對水冷系統流場和溫度場進行分析，獲得了水冷系統流場和溫度場的分布信息。研究得出以下結論：

1）冷卻水套材質采用導熱性較好的鋁合金，可以提高無流區的散熱能力；

2）水套進出口采用對角結構設計，可使水冷系統熱量吸收較均勻。

3）電磁式發動機水冷系統設計合理，其傳熱性能良好，在新能源汽車領域具有較廣的應用前景。