基于CFD的摩托車散熱器流場模擬及節溫器的影響分析

譚禮斌，袁越錦，黃 燦，王 萍，唐 琳

(1.陜西科技大學 機電工程學院，西安 710021；2.隆鑫通用動力股份有限公司技術中心，重慶 400039)

冷卻系統對發動機的正常運行具有關鍵性的作用。隨著發動機功率及性能的提升，對冷卻系統性能的要求也越來越高。目前，針對冷卻系統的研究主要集中在水套分析、散熱器流場分析及系統匹配控制等方面[1-3]。其中，節溫器是冷卻系統中的關鍵部件之一，其主要功能是根據冷卻液溫度來控制主閥門開閉程度，實現冷卻回路中冷卻液流量的合理分配。節溫器的合理設計是保證發動機在合適溫度下工作的關鍵，節溫器及其對散熱器流量分配的研究對冷卻系統的優化設計具有重要意義[4]。隨著計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)技術的發展及在工程上的廣泛運用，采用流體分析軟件通過數值求解捕捉速度場、壓力場等流場細節信息，從而指導產品設計的“虛擬仿真開發”已是機械行業的發展趨勢[5-7]。劉吉林等[8]采用一維和三維的雙重分析精確獲取了節溫器主閥門兩側的壓力值；許曉文等[9]采用STAR-CCM+對散熱器流場進行數值模擬，研究了散熱器散熱片波紋狀結構與格柵狀結構的傳熱特性區別。基于CFD技術進行流場模擬及優化分析，可為產品結構設計及改進提供理論指導。基于此，本文利用CFD分析軟件對摩托車散熱器流場進行數值模擬分析，并探究節溫器不同小循環管路內徑對整體流動阻力的影響，獲取管路內徑與流動阻力間的變化規律，為后續該散熱器節溫器的結構選型及優化提供理論參考及仿真數據支撐。

1 物理模型

摩托車散熱器流體計算域模型示意如圖1所示。采用流體分析軟件STAR-CCM+自帶的多面體網格和邊界層網格生成技術進行網格劃分，對散熱器流道進行局部網格加密處理，最終網格數量約為700萬個，網格模型如圖2(a)。圖2(b)中的網格無關性驗證結果顯示網格數量較小時，壓降模擬值呈現上升趨勢，網格數量達到680萬個以后，壓降變化趨勢穩定。由此可見700萬個網格可以獲得較準確的進出口壓降值(流動阻力)，此時壓降模擬值與實測值的誤差約在5%，表明本文構建的計算域模型具有較高的預測精度。節溫器為石蠟機械式節溫器，工作原理為節溫器閥芯中石蠟體積受溫度控制，冷卻液溫度低時，石蠟呈固態，旁通閥關閉，冷卻液流經發動機內部小循環；反之，石蠟體積膨脹，旁通閥打開，冷卻液流經散熱器[10]。節溫器主閥全開啟狀態，稱為大循環；節溫器主閥全閉狀態，稱為小循環。原狀態小循環管路內徑為11 mm，為研究節溫器不同小循環管路內徑及其管路連接對散熱器流動阻力的影響，選取小循環內徑為12，13，14，15，16 mm及其配套連接管路、12.2 mm直角彎連接形式(圖3)等節溫器狀態來進行對比研究，從而獲得適宜的小循環內徑及管路連接狀態。

圖1 散熱器計算域模型示意

圖2 計算域網格及無關性驗證

圖3 節溫器小循環不同狀態示意

2 數學模型及邊界條件

流體介質為80 ℃的50%乙二醇和50%水的混合溶液，密度為1038.3577 kg/m3，動力黏度為9.8×10-4Pa·s。假設散熱器內的冷卻液流動為不可壓縮的湍流流動，流動過程中不考慮溫度的影響。選用STAR-CCM+中的realizable two-layerk-epsilon兩方程湍流模型進行散熱器內部流動的數值求解。數值求解過程中需要求解的流體控制方程及湍流方程主要包括連續性方程、動量方程、k方程、epsilon方程[11-13]。模擬求解中需要設置的邊界條件如下：

1) 入口：質量流量入口，質量流量為0.8653 kg/s，對應的體積流量為50 L/min。

2) 出口：壓力出口，出口壓力為大氣壓。

3) 壁面：無滑移壁面，壁面函數采用STAR-CCM+中的Two-layer Ally+ Wall Treatment函數[14]。計算域的入口、出口邊界示意如圖4所示。

圖4 計算域示意

3 數值模擬結果分析

3.1 壓降及流量占比

圖5為節溫器大循環下散熱器進出口壓降對比曲線。原狀態節溫器大循環的壓降約為52 kPa。隨著小循環管路內徑的增大，大循環開啟后，小循環存留的流動間隙更大，較多的冷卻液會從小循環管路流失而不經過散熱器，造成冷卻液利用率降低。小循環管路內徑增大，大循環狀態下散熱器進出口壓降依序降低。圖5中12.2 mm直角彎管連接的壓降值比12 mm時略大，其原因是直角彎連接處具有較大的壓力損失，造成了壓降值增大。

圖5 節溫器大循環時散熱器進出口壓降

圖6為節溫器小循環下散熱器進出口壓降對比曲線。原狀態節溫器小循環的壓降約為187 kPa，遠遠大于節溫器大循環時的壓降值。隨著小循環管路內徑的增大，小循環時散熱器進出口壓降明顯降低。原因是原節溫器結構的小循環管路內徑較小，流動空間小，造成速度在小間隙內急劇增大，壓力增大，從而造成小循環進出口壓降較大。

圖6 節溫器小循環時散熱器進出口壓降

圖7為節溫器大循環下流經小循環的流量占總流量比值的曲線。節溫器origin狀態下從小循環流失的冷卻液流量占總流量的比值為29%。隨著小循環管路內徑的增大，小循環流動阻力減小，造成更多的冷卻液從小循環管路流失。為保證散熱器整體散熱，當散熱器在高溫情況下工作時，大循環全開后從小循環管路流失的流量占比應控制在30%以下。圖7中小循環管路內徑大于13 mm時，從小循環流失的流量占比已超過40%，對散熱器的整體散熱性能極其不利。綜合考慮壓降及流量占比，為降低實際運行中小循環的水流阻力，可增加小循環管路內徑值，內徑值不宜超過13 mm，水流阻力可降低約30%～40%。

圖7 節溫器大循環時流經小循環的流量占比

3.2 速度及壓力分布

圖8為3個截面示意，截面1查看節溫器內部流速及壓力分布情況，截面2，3查看散熱器內部流速及壓力分布情況。該節選取12.2 mm直角彎連接狀態的散熱器節溫器進行流場分析，并與origin狀態下的散熱器節溫器流場進行對比分析。圖9中截面1速度云圖顯示origin狀態速度分布更均勻；圖10中兩者速度差異不明顯；圖11中origin狀態截面速度略高于12.2 mm直角彎狀態。圖12中origin狀態在經過節溫器后進入進水室后冷卻液速度略高，且整體流線分布更為均勻。綜上可得出origin狀態對應的截面流速分布情況略好于12.2 mm直角彎連接狀態下的截面流速分布。造成這種現象的原因是12.2 mm直角彎連接狀態下，在節溫器全開啟后，從小循環流失的冷卻液流量比origin狀態的多，造成流經散熱器的冷卻液流量少，從而導致流速低。總體來看，兩者間差異不大。從圖13—15的壓力分布云圖可以看出，12.2 mm直角彎連接狀態下的截面壓力低于origin狀態下的壓力。

圖8 截面示意

圖9 節溫器大循環下截面1速度分布

圖10 節溫器大循環下截面2速度分布

圖11 節溫器大循環下截面3速度分布

圖12 整體流線分布

圖13 節溫器大循環下截面1壓力分布

圖16—17分別為節溫器小循環下截面1的壓力分布云圖和速度分布云圖。從圖中可以看出，origin狀態下小循環最大壓力約為187 kPa，12.2 mm直角彎連接狀態最大壓力約為124 kPa，新狀態的壓力值比origin狀態降低了63 kPa，降幅約為34%。12.2 mm直角彎連接狀態下小循環截面速度略大于origin狀態，原因是12.2 mm直角彎連接狀態下流經小循環的冷卻液流量更多，造成流速略大。

圖14 節溫器大循環下截面2壓力分布

圖15 節溫器大循環下截面3壓力分布

圖16 節溫器小循環下截面1壓力分布

圖17 節溫器小循環下截面1速度分布

3.3 實驗驗證

采用文獻[15]中的測試設備及原理對帶有節溫器的散熱器進出口壓降進行測試，獲取在指定溫度及流量下的進出口壓降值。實驗測試溫度選擇30 ℃，此時節溫器處于小循環狀態，冷卻液從小循環流走，不經過散熱器，測試獲取的壓降值即為小循環的壓降。圖18為小循環壓降模擬值與實驗值的對比。12.2 mm直角彎管連接的節溫器狀態下壓降值小于原節溫器小循環壓降值，達到了改善小循環壓損的目的。模擬值與實測值變化趨勢一致，實測值略比模擬值大9 kPa左右，相對誤差約為7%，在可接受范圍內。表征本文構建的模型可較好地預測壓力值變化，分析結果可為后續節溫器選型及結構改進提供參考。

4 結論

利用STAR-CCM+對摩托車散熱器流場進行模擬分析，研究不同節溫器狀態對散熱器整體流動阻力的影響，獲得了節溫器不同小循環管路內徑值與流動阻力間的變化關系，為后續結構改進及優化提供理論指導。依據流場分析結果及節溫器的影響研究得出如下結論：

1) 節溫器大循環(節溫器閥全開)時散熱器進出口壓降為52 kPa，大循環時小循環不能完全關閉，從小循環流失的冷卻液流量占比為29%；節溫器小循環時(節溫器閥全閉)散熱器進出口壓降約為187 kPa，該阻力值遠遠大于大循環時散熱器進出口的壓降值。可以通過增大節溫器過流面積來降低壓力損失。

2) 小循環管路內徑增大，小循環時散熱器進出口壓降明顯降低；同時，小循環管路內徑增大，在大循環開啟，小循環不能完全關閉的間隙越大，會有更多的流量從小循環流失，對散熱器的散熱性能有不利影響。

3) 結合壓降和小循環流量占比來綜合考慮，該節溫器小循環管路內徑不宜超過13 mm，小循環時散熱器進出口壓降可比原節溫器結構的進出口壓降降低30%～40%。小循環管路內徑值要根據冷卻系統流動阻力及散熱器節溫器的結構尺寸進行合理匹配設計，才能保證散熱器的散熱能力。

4) 散熱器壓降模擬值與實測值間相對誤差約為7%，表征構建的計算域模型可較精確地預測壓降、速度等流場結果信息。該分析模型可作為同類型產品設計前期的仿真預測模型。