發動機冷卻水套流場的CFD分析及性能優化

譚禮斌， 袁越錦， 黃 燦， 唐 琳， 何 丹

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

冷卻水套作為發動機冷卻系統的重要部件，其散熱性能的好壞直接影響發動機的正常運行。冷卻水套的主要作用是冷卻發動機，降低高溫區域的熱負荷并保證發動機工作在適宜的溫度下[1]。隨著計算機仿真技術的迅速發展，計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法逐步成為了研究發動機冷卻水套內冷卻液三維流動狀態的重要手段[2-4]。黃燦等采用CFD方法對某冷卻水套內冷卻液流速分布和壁面換熱系數進行了分析，為水套性能評估及優化提供了參考[5]。畢玉華等采用CFD技術，研究了發動機水套內冷卻液流動均勻性對結構熱變形的影響[6]。利用CFD方法研究發動機冷卻水套散熱性能，并有針對性地進行結構改進和散熱性能提升，從理論上指導結構設計及實驗驗證工作，可減少產品開發前期的盲目性[7-8]。

為評估一款摩托車發動機冷卻水套散熱性能并進行性能優化研究，本文應用CFD方法，采用STAR-CCM+軟件對冷卻水套結構設計方案進行三維流場數值模擬，依托CFD分析結果提出改進方案，以便為該款發動機冷卻水套的冷卻性能評估和結構改進提供參考。

1 發動機冷卻水套模型構建

該款摩托車發動機冷卻水套計算域網格模型如圖1所示。冷卻水套高溫區域主要可分為缸頭排氣上鼻梁區、缸頭排氣下鼻梁區和缸體排氣上部區域。其溫度趨勢基本為缸頭排氣上鼻梁區溫度值>缸頭排氣下鼻梁區溫度值>缸體排氣上部區域溫度值。在設計冷卻水套時，要重點考慮這3個區域的冷卻液流動情況，讓更多的冷卻液流向這些區域，且要設法提高冷卻液的流速，以保證發動機的正常散熱。兩種缸墊方案的缸墊及相應缸孔如圖2所示。缸墊方案一和缸墊方案二都有3個上水孔。二者的上水孔位置有下列不同：缸墊方案一在進氣側布置了兩個上水孔，缸墊方案二在排氣側布置了兩個上水孔。為評估兩種缸墊方案的冷卻水套內部流場，可采用相同的網格控制策略和邊界條件對二者進行對比分析，以便選擇較優的缸墊上水孔布置方式進行后續優化。

圖1 冷卻水套計算域網格模型Fig. 1 Mesh model of cooling water jacket computing domain

(a) 缸墊方案一

本文所選取冷卻液介質為 50%乙二醇和 50%水的混合溶液。該冷卻液的溫度為90 ℃，動力黏性系數為0.000 82 Pa·s，密度為1 030 kg/m3。冷卻水套中冷卻液的流動為不可壓縮的黏性湍流態，且能以STAR-CCM+軟件中的 realizable two-layer k-epsilon作為湍流模型，遵循連續性方程和動量方程規律。

將冷卻水套的入口邊界設置為質量流量，其值為0.718 8 kg/s，對應于發動機臺架實驗在8 500 r/min轉速點實測的體積流量42 L/min；將出口邊界設置為壓力，其值為0 Pa(相對壓力)；采用無滑移壁面邊界。

采用文獻[8]的發動機臺架實驗方法，將進口水溫控制在90 ℃，對發動機進水壓力和出水壓力進行測試。發動機進水壓力和出水壓力之差即為水套流阻。選取缸墊方案一進行測試，為模型驗證提供實驗數據。經過實測，流量為42 L/min時流阻為21.5 kPa。

在驗證所構建模型時，本文測試所得流阻與網格數量的關系如圖3所示。

圖3 流阻與網格數量的關系Fig. 3 Relationship between flow resistance and number of grids

從圖3可以看出，當網格數量達到300萬個以上時，計算流阻值趨于穩定，計算流阻為20.6 kPa，與實測相差0.9 kPa，誤差較小。這表明，網格數量選擇300萬個時能夠獲得較準確的結果。

2 冷卻水套的冷卻液流速分布對比

冷卻水套的冷卻能力主要采用壁面換熱系數、冷卻液流速兩個指標來反映。由于換熱系數與流速直接相關，兩者具有基本相同的分布特征，即流速大、流動均勻性好的區域，對應的換熱系數大且分布較均勻，而流速小、流動均勻性差或零流速的區域，對應的換熱系數小且分布紊亂。通常，排氣側及鼻梁區熱負荷較高，要求流速大、流動均勻性好，因此對應的換熱系數要大且分布應盡可能均勻[9]。因流速與換熱系數有共同的分布特征，所以本文從冷卻液流動角度對冷卻水套進行性能評估及具有針對性的結構改進，基本可滿足冷卻水套的冷卻液流速分布設計要求。圖4所示為兩種缸墊方案的水套內部冷卻液流速分布云圖。

(a) 缸墊方案一 (b) 缸墊方案二圖4 兩種缸墊方案的水套內部冷卻液流速分布云圖Fig. 4 Distribution nephogram of coolant flow velocity distribution in water jacket about two cylinder gasket designs

從圖4可以看出，缸墊方案一和缸墊方案二中區域1的冷卻液流速都較低。分析可知，該區域屬于排氣上鼻梁區，相應的冷卻液會流至排氣下鼻梁處，因此該區域冷卻液流速較低，會對整個水套排氣側的冷卻產生影響，需要重點關注。從圖4也可以看出，缸墊方案一中水套冷卻液的流動均勻性較差，其中區域2的流速很低，存在速度死區。分析可知，該區域位于缸體的水套排氣側，若冷卻液流速不夠大，就會導致局部溫度過高而不利于缸體水套的冷卻。從圖4還可以看出，缸墊方案二中水套冷卻液的流動均勻性較好，且區域2的冷卻液流速明顯比缸墊方案一中該區域的流速分布均勻。顯然，缸墊方案二的上水孔布置方式較優，可選擇在缸墊方案二的基礎上通過改進缸體水套結構來改善區域1的冷卻液流動狀態，從而提升水套的整體散熱性能。

為了查看水套內部冷卻液的流動細節，這里給出了圖5所示的水套及其截面仿真圖、圖6所示的缸墊方案一下水套內部冷卻液各截面的速度云圖、圖7所示的缸墊方案二下水套內部冷卻液各截面的速度云圖。

(a) 水 套 (b) 截面1位置 (c) 截面2位置圖5 水套及其截面仿真圖Fig. 5 Water jacket and its sections simulation diagram

(a) 區域1 (b) 區域2 (c) 區域3圖6 缸墊方案一下水套內部冷卻液各截面的速度云圖Fig. 6 Velocity cloud diagram of each section of coolant inside the water jacket at cylinder gasket design one

(a) 區域1 (b) 區域2 (c) 區域3圖7 缸墊方案二下水套內部冷卻液各截面的速度云圖Fig. 7 Velocity cloud diagram of each section of coolant inside the water jacket at cylinder gasket design two

從圖6、圖7可以看出：缸墊方案二下水套內部冷卻液流速在區域2和區域3的分布均勻性都優于缸墊方案一；水套內部區域1(即排氣道附近區域)的冷卻液流速較低，不利于該區域的冷卻。因此需對冷卻水套結構進行改進，以改善區域1的冷卻液流動狀態，提升散熱性能。

3 冷卻水套結構改進方案的分析

為了改善排氣側冷卻液流動狀態，本文將流道加高加寬，從而增大鼻梁區的流通面積，形成了缸頭水套改進方案一；在缸頭水套改進方案一的基礎上，進行開槽導流處理，形成了缸頭水套改進方案二。圖8所示為兩種缸頭水套改進方案的對比情況。圖9所示為兩種缸頭水套改進方案的水套內部速度流線。

(a) 缸頭水套改進方案一 (b) 缸頭水套改進方案二圖8 兩種缸頭水套改進方案的對比Fig. 8 Comparison of the two improvement designs of cylinder head water jacket

(a) 缸頭水套改進方案一 (b) 缸頭水套改進方案二圖9 兩種缸頭水套改進方案的水套內部速度流線Fig. 9 Internal velocity streamline of the two improvement designs of cylinder head water jacket

對比分析可知：缸頭水套結構改進后冷卻液流速分布比原結構有明顯改善；缸頭水套改進方案二中排氣道附近區域的冷卻液流速提升更明顯，有利于該區域的散熱；兩種缸頭水套改進方案都能改善排氣側冷卻液的流動狀態，有利于降低發動機的高溫區域熱負荷。

為了進一步評估缸頭水套結構改進的效果，本文對冷卻水套的冷卻液流道進行截面提取，統計各流道截面流量(見圖10)，對比分析了缸頭水套結構改進前后各截面流量占比的變化情況(見圖11)。

(a) 截面1-截面6

圖11 缸頭水套結構改進前后各截面流量占比的變化情況Fig. 11 Changes of flow proportion for each section before and after improvement of cylinder head water jacket structure

從圖11可以看出：兩種缸頭水套改進方案在截面1的冷卻液流量占比皆有所提升，其中缸頭水套改進方案二的提升效果較明顯；兩種缸頭水套改進方案在鼻梁區(截面2)的冷卻液流量占比略有下降，其中缸頭水套改進方案一從改進前的流量占比8.8%降低為8.1%，而缸頭水套改進方案二的流量占比降為6.8%，流量占比降低明顯，存在一定的過熱風險；缸頭水套改進方案二在截面3的流量占比也比改進前有明顯降低，冷卻能力減弱。分析可知，缸頭水套改進方案二下冷卻液流量分配情況比原結構有明顯的改變，同時從砂型工藝和缸頭鑄造工藝考慮，在缸頭水套上開槽的砂型工藝容易導致結構強度不夠的后果。因此，缸頭水套改進方案二不可行。綜合來看，建議選擇缸頭水套改進方案一作為該冷卻水套結構的改進方案。

圖12所示為改進后冷卻水套內部的速度流線。

圖12 改進后冷卻水套內部的速度流線Fig. 12 Internal velocity streamline distributions of improved cooling water jacket

從圖12可以看出，改進后冷卻水套大部分區域的冷卻液流速都大于0.5 m/s，缸頭水套排氣側冷卻液流速都大于1.5 m/s，且水套內部冷卻液流動中不存在大面積的死區現象。因此，改進的冷卻水套能夠滿足水套內冷卻液流速的設計要求[10]。

4 方案確定

為驗證方案的有效性，針對原缸頭水套+缸墊方案一，以及缸墊方案二+缸頭水套改進方案一兩種情況，在發動機臺架實驗時測量了發動機最大功率對應轉速8 500 r/min的機油溫度和缸頭火花塞墊片溫度。圖13所示為兩種情況下的機油溫度和缸頭火花塞墊片溫度。

從圖13可以看出，選擇缸墊方案二和缸頭水套改進方案一后，機油溫度和缸頭火花塞墊片溫度分別為116 ℃和146 ℃，相比原缸頭水套+缸墊方案一的時候，對應溫度分別降低了4 ℃和6 ℃。這表明，相應的冷卻水套結構改進后，水套散熱性能得到了提升，發動機熱負荷有所改善。

5 結語

本文采用CFD方法對一款摩托車發動機冷卻水套流場特性進行了數值模擬，并對兩種缸墊布置方式進行了對比分析。結果表明，該款發動機冷卻水套缸墊方案二下水套內冷卻液流動的均勻性優于缸墊方案一，建議選擇缸墊方案二作為該款發動機的缸墊方案。為改善排氣側的冷卻液流動狀態，提出了兩種缸頭水套改進方案。其中缸頭水套改進方案一中排氣側冷卻效果略有改善，鼻梁區的冷卻液流量占比為8.1%，略有降低；而缸頭水套改進方案二中排氣側冷卻效果改善明顯，火花塞墊片鼻梁區冷卻溫度明顯降低。考慮到開槽對砂型工藝有不良影響，而缸頭水套改進方案一中流道加高加寬后結構強度提高且排氣側有改善，本文建議按缸墊方案二+缸頭水套改進方案一制作發動機冷卻水套樣件。研究結果為該款發動機冷卻水套的冷卻性能評估及結構改進提供了參考。