風(fēng)冷發(fā)動機(jī)冷卻流道設(shè)計(jì)及散熱性能提升

曹博濤, 譚禮斌*, 孫寧, 袁越錦

(1.陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 西安 710021; 2. 陜西科技大學(xué)設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院, 西安 710021)

風(fēng)冷發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單,生產(chǎn)及維修較方便,廣泛應(yīng)用于三輪車、發(fā)電機(jī)組、工程機(jī)械等[1]。風(fēng)冷發(fā)動機(jī)按照冷卻形式可分為自然風(fēng)冷發(fā)動機(jī)和強(qiáng)制風(fēng)冷發(fā)動機(jī)。強(qiáng)制風(fēng)冷發(fā)動機(jī)通常是結(jié)合風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)罩和板等引流裝置,使冷卻空氣高速吹過氣缸外壁及機(jī)體散熱片表面,帶走散出的熱量[2]。自然風(fēng)冷則是通過自然風(fēng)吹向氣缸體外壁和缸頭散熱片表面來帶走散出的熱量。針對自然風(fēng)冷發(fā)動機(jī),其散熱片及冷卻風(fēng)道的設(shè)計(jì)對其散熱性能至關(guān)重要。目前針對風(fēng)冷發(fā)動機(jī)的開發(fā)方法主要為發(fā)動機(jī)臺架熱平衡測試研究和數(shù)值仿真預(yù)測方法[3]。采用試驗(yàn)研究的方法需要耗費(fèi)大小的人力和財(cái)力,且產(chǎn)品研發(fā)周期難以得到方法。計(jì)算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)仿真可在較短周期內(nèi)評估發(fā)動機(jī)散熱性能好壞并提供改進(jìn)意見[4]。趙立峰等[5]采用數(shù)值模擬方法對航空活塞發(fā)動機(jī)活塞的傳熱進(jìn)行了研究,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,證明了模擬計(jì)算的可行性。紀(jì)美娜等[6]利用自編程序研究了散熱片尺寸對風(fēng)冷發(fā)動機(jī)散熱的影響,確定了冷卻系統(tǒng)相關(guān)結(jié)構(gòu)的具體參數(shù),使其滿足改型后的四氣門強(qiáng)制風(fēng)冷發(fā)動機(jī)的冷卻要求。Luigi等[7]研究了發(fā)動機(jī)冷卻性能對發(fā)動機(jī)功率的影響,并給發(fā)動機(jī)性能提升提供了方法參考。風(fēng)冷發(fā)動機(jī)缸頭內(nèi)冷卻風(fēng)道設(shè)計(jì)對發(fā)動機(jī)缸頭散熱及整機(jī)性能影響顯著。國內(nèi)外關(guān)于三輪車風(fēng)冷發(fā)動機(jī)缸頭內(nèi)冷卻風(fēng)道設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬研究相對較少。冷卻風(fēng)道設(shè)計(jì)對發(fā)動機(jī)散熱性能影響關(guān)系復(fù)雜,傳統(tǒng)理論與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)很難達(dá)到最優(yōu)效果,且耗時耗力,因此采用CFD數(shù)值模擬方法開展風(fēng)冷發(fā)動機(jī)冷卻性能的評估已成為行業(yè)趨勢[8]。

由于常規(guī)風(fēng)冷發(fā)動機(jī)火花塞側(cè)風(fēng)速較低,需提升其周邊冷卻風(fēng)速以保證其散熱。鑒于此,在某三輪車風(fēng)冷發(fā)動機(jī)缸頭內(nèi)部設(shè)計(jì)了冷卻風(fēng)道,采用CFD仿真軟件STAR-CCM+對該風(fēng)冷發(fā)動機(jī)搭建整機(jī)外流場計(jì)算模型,獲取風(fēng)冷發(fā)動機(jī)表面風(fēng)速分布,并依據(jù)風(fēng)速分布結(jié)果評估冷卻風(fēng)道設(shè)計(jì)的合理性及開展針對性的結(jié)構(gòu)改進(jìn),提升該風(fēng)冷發(fā)動機(jī)火花塞側(cè)及排氣側(cè)等高溫區(qū)域的冷卻。研究結(jié)果可為風(fēng)冷發(fā)動機(jī)缸頭內(nèi)部冷卻風(fēng)道設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)道物理模型

圖1為缸頭三維模型及缸頭風(fēng)道示意圖。迎風(fēng)側(cè)一般是在缸頭排氣側(cè),為了更好地冷卻排氣高溫區(qū)域。缸頭進(jìn)氣側(cè)在背風(fēng)側(cè),火花塞側(cè)位于進(jìn)風(fēng)端的左側(cè)。常規(guī)風(fēng)冷發(fā)動機(jī)在設(shè)計(jì)時僅通過缸頭、缸體的散熱片布置來實(shí)現(xiàn)散熱,這樣處理容易導(dǎo)致火花塞側(cè)處的冷卻風(fēng)速較低,不利于火花塞端部及其周圍周圍區(qū)域的冷卻。基于此,在缸頭上集成設(shè)計(jì)了冷卻風(fēng)道,使迎風(fēng)側(cè)的風(fēng)進(jìn)入風(fēng)道后可以吹向火花塞側(cè)區(qū)域,改善火花塞側(cè)區(qū)域的冷卻。缸頭冷卻風(fēng)道初步設(shè)計(jì)剖面圖如圖1(b)所示。

圖1 缸頭三維模型及缸頭風(fēng)道示意圖Fig.1 Three dimensional model of cylinder head and schematic diagram of cylinder head air duct

圖2為風(fēng)冷發(fā)動機(jī)計(jì)算域網(wǎng)格模型搭建。為了真實(shí)反映該風(fēng)冷發(fā)動機(jī)搭載三輪車之后的冷卻特性,在計(jì)算模型搭建時考慮了車架、進(jìn)排氣系統(tǒng)及消聲器部件。流體計(jì)算域尺寸設(shè)置為總長度為8倍計(jì)算部件的長度,虛擬計(jì)算域內(nèi)部部件最前端距離計(jì)算域入口為3倍計(jì)算部件的長度,虛擬計(jì)算域內(nèi)部部件最后端距離計(jì)算域出口為4倍車身長度;總寬度為7 倍計(jì)算部件的寬度,總高度為5倍計(jì)算部件的高度。CFD分析軟件STAR-CCM+因其高度集成性及其獨(dú)特的網(wǎng)格生成技術(shù)在發(fā)動機(jī)、工程機(jī)械、旋轉(zhuǎn)機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[9],因此采用STAR-CCM+進(jìn)行該風(fēng)冷發(fā)動機(jī)計(jì)算域網(wǎng)格劃分、邊界設(shè)置及求解和結(jié)果后處理。風(fēng)冷發(fā)動機(jī)計(jì)算域的網(wǎng)格采用STAR-CCM+中的多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行劃分,完成后網(wǎng)格數(shù)量約500萬個。

圖2 風(fēng)冷發(fā)動機(jī)計(jì)算域網(wǎng)格模型搭建Fig.2 Mesh model construction for the computational domain of air-cooled engine

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

選取CFD軟件STAR-CCM+中Realizablek-ε湍流模型(k為湍動能,ε為湍動能耗散率)進(jìn)行該三輪車風(fēng)冷發(fā)動機(jī)表面風(fēng)速的流場模擬及冷卻風(fēng)道結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究。該風(fēng)冷發(fā)動機(jī)外流場計(jì)算中空氣介質(zhì)假設(shè)為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動狀態(tài),過程中不考慮溫度,因此,該風(fēng)冷發(fā)動機(jī)流場數(shù)值計(jì)算中需求解的數(shù)學(xué)模型方程主要包括流體基本控制方程和湍流模型方程[10-12]。具體的數(shù)學(xué)模型方程如下。

(1)連續(xù)性方程:

(1)

(2)動量微分方程:

(2)

(3)k-ε湍流模型方程:

(3)

式中:u、v、w為x、y、x方向的速度分量;ρ為流體密度;Fx、Fy、Fz為x、y、x方向的體積力;μ為流體黏度系數(shù);p為流體微元體上的壓力;t為時間;xi和xj為兩個方向坐標(biāo)分量;ui為i方向速度分量;μt=ρCuk2/ε為渦流運(yùn)動黏滯系數(shù);Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動能項(xiàng);C1ε、C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù);σk、σε分別為湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)。對于經(jīng)驗(yàn)常數(shù)的值,C1ε、C2ε分別為1.44和1.92;σk、σε分別為1.0和1.3,Cu為0.09[13]。

圖3為計(jì)算域邊界條件設(shè)置示意圖。圖中虛擬計(jì)算域入口邊界采用速度入口邊界,速度為15 m/s,出口邊界采用壓力出口,壓力為0,環(huán)境溫度為30 ℃,環(huán)境壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101 325 Pa)。圖4為缸頭冷卻風(fēng)道及缸頭截面示意圖,用于各風(fēng)道風(fēng)量的統(tǒng)計(jì)和各截面風(fēng)速分布結(jié)果的分析。

圖3 計(jì)算域邊界條件設(shè)置Fig.3 Boundary conditions for computational fluid domain

圖4 風(fēng)道及缸頭截面示意圖Fig.4 Plane section of air duct and cylinder head

3 計(jì)算結(jié)果分析及討論

3.1 表面風(fēng)速分布

圖5為缸頭表面風(fēng)速分布云圖。進(jìn)風(fēng)側(cè)表面風(fēng)速較大,缸頭內(nèi)部風(fēng)道的風(fēng)速略小,不利于缸頭的散熱。圖6為缸頭各截面速度分布云圖。從截面1可以看出,缸頭內(nèi)部風(fēng)道的總體風(fēng)速都較小。從截面2和截面3的表面風(fēng)速分布可看出缸頭火花塞附近和進(jìn)氣道周圍的冷卻風(fēng)速也較小,不利于缸頭的整體冷卻,建議對缸頭風(fēng)道進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),提升缸頭風(fēng)道風(fēng)速分布和火花塞周圍的風(fēng)速。

圖5 缸頭表面風(fēng)速分布云圖Fig.5 Surface air velocity distribution of cylinder head

圖6 缸頭截面速度分布云圖Fig.6 Velocity distributions of cylinder head sections

3.2 冷卻風(fēng)道結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究

為了改善缸頭散熱情況,對缸頭冷卻風(fēng)道進(jìn)行圖7所示的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。主要是對排氣側(cè)進(jìn)風(fēng)面積加大,提升進(jìn)入缸頭內(nèi)部風(fēng)道的冷卻風(fēng)量。此外,對流向缸頭火花塞處的散熱器布置形式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整,將其中1個導(dǎo)流片分為3個導(dǎo)流片,這樣起到分流和導(dǎo)流的雙重作用。圖8為缸頭冷卻風(fēng)道調(diào)整前后各風(fēng)道風(fēng)量對比曲線。冷卻風(fēng)道結(jié)構(gòu)改進(jìn)后總風(fēng)量相比原結(jié)構(gòu)提升了39.5%, 火花塞側(cè)冷卻風(fēng)量從4.48 g/s提升至7.08 g/s,提升了58%。進(jìn)氣側(cè)由于法蘭連接處存在凸起,風(fēng)量略有降低。總體來看,冷卻風(fēng)道結(jié)構(gòu)改進(jìn)后,風(fēng)量提升明顯,有利于缸頭的散熱冷卻。

圖7 缸頭冷卻風(fēng)道改進(jìn)方案Fig.7 Improved design of cylinder head cooling ducts

圖8 風(fēng)道調(diào)整前后各風(fēng)道風(fēng)量對比曲線Fig.8 Air quantity comparison of cylinder head cooling ducts before and after modification of cooling ducts

圖9為缸頭冷卻風(fēng)道調(diào)整后缸頭表面風(fēng)速分布云圖。從圖9中可以看出,缸頭表面風(fēng)速分布云圖。從圖中可以看出,冷卻風(fēng)道區(qū)域的表面風(fēng)速明顯增大。圖10為缸頭風(fēng)道調(diào)整后缸頭各截面速度分布云圖。從截面1可以看出,缸頭冷卻風(fēng)道內(nèi)冷卻風(fēng)速明顯提升,且由于風(fēng)道內(nèi)導(dǎo)流片的導(dǎo)流和分流作用,火花塞周圍的冷卻風(fēng)速也得到明顯提升。從截面2和截面3的風(fēng)速分布可以看出,火花塞附近和進(jìn)氣道附近冷卻風(fēng)速均增大,缸頭風(fēng)道內(nèi)布置的散熱片發(fā)揮了分流和導(dǎo)流的作用,避免了冷卻死區(qū),排氣道附近的冷卻風(fēng)速分布也較好。總體來看,缸頭風(fēng)道改進(jìn)后重要區(qū)域的冷卻風(fēng)速明顯提升,有利于缸頭的散熱。圖11為風(fēng)道調(diào)整前后缸頭冷卻流道速度流線圖對比。從流線圖也可清晰得看出缸頭風(fēng)道調(diào)整后火花塞周圍及排氣道附近都有大量的冷卻風(fēng)流經(jīng),利于缸頭的散熱冷卻。

圖9 風(fēng)道調(diào)整后缸頭表面風(fēng)速分布云圖Fig.9 Surface air velocity distribution of cylinder head after modification of cooling ducts

圖10 風(fēng)道調(diào)整后缸頭截面速度分布云圖Fig.10 Velocity distributions of cylinder head sections after modification of cooling ducts

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證缸頭冷卻風(fēng)道改進(jìn)方案的有效性,對缸頭改進(jìn)方案進(jìn)行了樣件制作并開展發(fā)動機(jī)臺架最高轉(zhuǎn)速工況8 500 r/min的熱平衡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,與原機(jī)狀態(tài)進(jìn)行對比溫度測試,主要對比分析缸頭火花塞墊片溫度差異。圖12為缸頭火花塞墊片溫度測試結(jié)果對比分析。從圖12中可以看出,缸頭改進(jìn)方案狀態(tài)下缸頭火花塞墊片溫度約為222 ℃,與原狀態(tài)的火花塞墊片溫度245 ℃降低了約23 ℃,說明通過對缸頭冷卻風(fēng)道進(jìn)行重新設(shè)計(jì),將更多的風(fēng)引向火花塞周圍附近,對發(fā)動機(jī)缸頭火花塞墊片及其周圍高溫區(qū)域具有極其有效的冷卻效果。缸頭冷卻風(fēng)道改進(jìn)方案提升了整體冷卻效果,證實(shí)是有效的。

5 結(jié)論

采用CFD方法對三輪車風(fēng)冷發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)道進(jìn)行了流場數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究,流場結(jié)果顯示原冷卻風(fēng)道下缸頭冷卻風(fēng)道內(nèi)冷卻風(fēng)速較低,火花塞附近和進(jìn)氣道周圍的冷卻風(fēng)速也較小,不利于缸頭的整體冷卻。調(diào)整缸頭冷卻風(fēng)道內(nèi)導(dǎo)流片布置和排氣側(cè)進(jìn)風(fēng)面積后缸頭冷卻風(fēng)道內(nèi)冷卻風(fēng)速明顯增大,火花塞附近及進(jìn)氣道附近冷卻風(fēng)速均增大,缸頭風(fēng)道內(nèi)布置的散熱片發(fā)揮了分流和導(dǎo)流的作用,避免了冷卻死區(qū),排氣道附近的冷卻風(fēng)速也較好。冷卻風(fēng)道調(diào)整后火花塞側(cè)及排氣側(cè)冷卻風(fēng)量明顯提升,利于缸頭高溫區(qū)域的冷卻。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,缸頭火花塞墊片溫度可降低約23 ℃。研究結(jié)果可為缸頭冷卻風(fēng)道的設(shè)計(jì)提供仿真數(shù)據(jù)支撐及理論指導(dǎo)。