某強化型柴油發動機冷卻水套CFD分析及優化設計

熊思琴

摘要： 利用AVL-FIRE對483Z型柴油機水套冷卻情況進行流體力學仿真分析，發現水套流場分析發現冷卻水流量分配不均勻缸體存在流動死區，缸蓋溫度梯度大，部分水套腔體存在過冷沸騰。現設計一種混合式冷水水套，仿真結果表明：改進后缸體水套內的流動死區基本消除，半切向進水使得其中缸墊分水孔內液體流速增加，新增的分水孔及其部分尺寸的變化增加了液體繞行缸體流動能力，缸蓋水套內過冷沸騰程度增加，水套的整體冷卻能力顯著增強。

Abstract： The water jacket cooling of 483Z diesel engine was simulated by USING AVL-Fire. The results of the water jacket flow field analysis showed that there was a flow dead zone in the cylinder with uneven cooling water flow distribution， a large temperature gradient in the cylinder head， and a part of the water jacket chamber had a supercooled boiling. A hybrid cold water jacket is designed. The simulation results show that： Improved flow dead zone within the cylinder block water jacket basically eliminated， half a tangential inlet water makes the liquid in the cylinder gasket points hole velocity increases， the addition of the dimension of hole and its parts increased the ability of fluid flow around cylinder， cylinder head water jacket in subcooled boiling degree increasing， the whole will markedly enhance its capability of the cooling water jacket.

關鍵詞： 冷卻水套設計;分水孔;過冷沸騰

Key words： cooling water jacket design;points hole;subcooled boiling

中圖分類號：U262.11????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0014-02

0? 引言

近年來隨著柴油機強化程度的增加，其缸蓋火力面除了直接與高溫燃氣接觸外，還隨著燃燒室內溫度的瞬態變化承受著交變熱負荷[1]。研究表明[2]，水冷式發動機缸蓋水套存在多種傳熱方式，缸蓋鼻梁區與其他位置間溫度梯度較大形成較大的熱流量，該區域更易于會出現過冷沸騰換熱，傳熱以沸騰傳熱為主，而在壁面溫度溫差較小，熱流量減弱，傳熱方式以對流為主。本文著眼于考慮多缸柴油發動機在最大輸出扭矩轉速范圍內缸蓋和缸體的合理冷卻，根據水套內冷卻液流動規律，在溫度允許上下限之間，設計一種多缸發動機混合式冷水水套。

1? 柴油機冷卻水套模型

原冷卻水套模型（如圖1所示）出水口在兩側，在原有水套模型基礎上改進水套入口為半切向進水方式（如圖2所示），另新增三個缸間小分水孔，2、3缸排氣側水孔尺寸減小、1、4缸進氣側水孔尺寸減小，出水口在2、3缸處。

2? 兩相流模型的數學描述

歐拉雙流體模型是目前最能描述實際兩相流動的模型，尤其在于沸騰流動換熱方面[3]，關于其質量、動量和能量方程如下式：

液相和氣相的動量守恒方程：液相和氣相的能量守恒方程：加熱壁面沸騰傳熱模型：

Rohsenow擬合測試數據后得到了一個適用用于計算沸騰表面熱流量方程：

3? 仿真計算

3.1 冷卻液的物理屬性

計算介質選擇純水，其物理屬性如下：密度：1000kg/m3;粘度：1.01×10-3Pa·s;比熱容：4.2×103J/（kg·℃）;導熱率：0.59W/（m·K）。

3.2 計算模型邊界條件及方法

發動機工作在最大輸出轉矩315N·m時轉速為1400-2400r/min，進口的流速3.0kg/s，冷卻液進水口溫度358K，環境溫度293K，大氣壓強101.325kPa，濕度83%，出口條件（outflow）認為冷卻水在缸蓋出口處是充分發展的流動。在模擬計算過程中認為冷卻液在機體、缸蓋冷卻水通道中的流動是絕熱、不可壓縮的粘性湍流流動，采用Realizable k-ε標準湍流模型，近壁面區域應用標準壁面函數，采用Simple算法，設定殘差小于10-4。

4? 計算結果分析

4.1 水套速度場結果分析

圖3冷卻水套速度場分布流線圖，a與b分別為原方案和改進方案冷卻水套內部整體速度場分布情況，通過對比可看出原方案圓口入水口較半切向入水方式流速較低。原1缸側分流較多液體，3缸缸體水套進氣側液體流速驟減，2、3缸缸蓋水套進氣側均出現流量少的問題，兩缸缸蓋間出現流動死區，這是因為兩股動能大致相當的液體在該位置出現撞擊，且出水口位于兩側。改中半切向入水口流速提高，基本均分流向兩側1缸、4缸的冷卻水，2、3缸缸墊分水孔尺寸減小的設計增加了繞行缸體流向1、4缸的冷卻水，并引入水套上部1、4缸缸蓋排氣側高溫區;而進氣側1、4缸缸蓋分水孔尺寸減小，增加流向同側2、3缸的液體量，同時新增的三個小分水孔進一步增加繞行相鄰兩缸間狹壁處流量，出水口位置在2、3缸，消除了2、3缸相交處缸蓋水套的流動死區問題。從水套入口到出口的冷卻液流動過程中沒有出現任何斷流的現象，分水孔內最高流速可達到2.51m/s，較原方案提高了0.7m/s。

4.2 水套溫度場結果分析

圖4缸蓋冷卻水套壁面溫度場為原方案a和改進方案b缸蓋水套壁面各位置溫度情況，發動機在最大扭矩點工況下缸蓋溫度最高，從溫度云圖上看到受高溫的排放氣體影響排氣側溫度均高于進氣側，其中排排鼻梁區處的溫度最高。原方案第4缸缸蓋溫度最高561.6K，第2缸缸蓋最高溫最低544K，兩者相差17.6K，第3缸最高溫比第2缸僅高4K，流入第3缸缸蓋冷卻水溫度較第2缸高，卻減小了冷卻水的過冷度，在鼻梁區過冷沸騰程度增加，到達第4缸缸蓋冷卻水溫度繼續增加且來缸蓋窄壁冷卻水進入完全沸騰過程，沸騰的氣泡增加了鼻梁區等腔體的冷卻水流動阻力，溫度增加程度大幅增加。缸蓋進氣側溫度差異同樣較大，流動死區影響2、3缸進氣側溫度，3缸受死區影響最大。觀察改進方案的云圖可看到各缸蓋進排側最高溫差異程度適量減輕，第4缸缸蓋最高溫550K比第2缸539.8K高出10.2K，第1缸與第4缸、第2缸與第3缸溫度分布大致相當，整個缸蓋溫度梯度相對較小，利用提高冷卻液流速增強對第2、3缸換熱程度，利用較多的冷卻液增強對1、4缸的換熱，第2、3缸平均溫度低于第1、4缸，過冷沸騰在2、3缸相對1、4缸的排排區域水套腔內發生程度更高，發揮了更好的換熱作用。

5? 結論

①通過設置切向入口方式、調整缸墊分水孔尺寸、出水口位置及新增分水孔的手段，實現了混合式冷卻水套方案，分水孔尺寸減小卻提高液體進入缸蓋速度，提高流體整體平均動能;新增小分水孔消除2、3缸蓋流動死區同時增加繞行相鄰兩缸間的流量;較多冷卻液均分并流向兩側氣缸，并繞行至缸體進氣側，由于分水孔尺寸減小阻力增加，較多繞行液體流向2、3缸進氣側并進入缸蓋水套再流出，可使該水套呈現出混合式冷卻效果。

②改進方案中2、3缸缸蓋水套窄腔內冷卻水量減少但流速相對提高，為過冷沸騰氣泡脫離壁面增加了湍動能，因此減少流量的情況下鼻梁區溫度不增反減，1、4缸冷卻水流動路徑增加了液體溫度減小了過冷度，缸蓋水套內過冷沸騰程度較原方案提升。

參考文獻：

[1]陳家瑞.汽車構造（上冊）[M].北京人民交通出版，2002：240.

[2]王兆文.重載車用柴油機缸蓋內冷卻水流動分析及強化傳熱研究[D].華中科技大學，2008.

[3]谷芳，吳華杰，崔國起.基VOF兩相流的缸蓋過冷沸騰模型及試驗驗證[J].發動機學報，2014（4）：372-376.