發(fā)動機(jī)缸體冷卻水套的CFD分析與優(yōu)化設(shè)計探析

張旭 李紅政 關(guān)帥

摘 要：現(xiàn)階段，借助于軟件對四缸汽油發(fā)動機(jī)械的冷卻水套開展數(shù)值的模擬，經(jīng)由分析模擬的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該款發(fā)動機(jī)的缸體冷卻水套在設(shè)計過程中的確存有明顯的缺陷，進(jìn)而提出了一套缸體冷卻的優(yōu)化策略，并對這一優(yōu)化的方案開展數(shù)值化模擬，結(jié)果顯示，優(yōu)化后缸體的冷卻的實際效果有了一定程度的提高。本文運(yùn)用CFD分析缸體冷卻水套的全過程，進(jìn)而不斷地優(yōu)化發(fā)動機(jī)缸體的水套結(jié)構(gòu)，保障發(fā)動機(jī)具備相對理想的機(jī)內(nèi)冷卻條件。

關(guān)鍵詞：CFD；發(fā)動機(jī)；缸體；冷卻水套；優(yōu)化方案

就當(dāng)前來講，發(fā)動機(jī)開發(fā)過程中需用到冷卻水套的CFD分析這一計算途徑，運(yùn)用這一計算技術(shù)喲助于確保發(fā)動機(jī)設(shè)備在熱負(fù)荷比較高的排氣管道周邊擁有相對理想的冷卻液循環(huán)流動，而產(chǎn)生較少的壓力損失。本文在概念設(shè)計時期借助于CFD分析發(fā)動機(jī)械缸體的冷卻水套，通過建立模型等提出進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計方案。

1.建立模型的方法

1.1.分清算法及各類邊界條件

一般情況下，冷卻液需選擇50%的乙二醇及50%的水制成混合液，運(yùn)用處于穩(wěn)定狀態(tài)下的計算模式，在模擬計算時，應(yīng)設(shè)冷卻液在水套內(nèi)部為絕熱的流動狀體，不容壓的粘性流動，計算時運(yùn)用有限的體積法將計算區(qū)域分成散亂化的管理體積網(wǎng)格，在每個管理體積上積分管理方程，產(chǎn)生變量計算的數(shù)學(xué)方程，在模擬計算時，需求出持續(xù)性的方程、能量守恒的方程以及動量方程等。

通常要滿足下列三項條件：首先，在出口邊界，應(yīng)符合壓力出口的邊界條件，大氣壓充當(dāng)出口壓力；其次，入口邊界的進(jìn)口速率可依照缸體冷卻水套的冷卻液入口位置的實際流量以及入口處的面積計算得到，進(jìn)口的速率通常為2.5m/s；壁面的邊界上，壁面需運(yùn)用防滑移固壁，也就是說，固體外表上流體速率為零。

1.2.構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型及幾何模型

在本次研究中，運(yùn)用北京現(xiàn)代α1.6型汽油發(fā)動機(jī)械缸體的冷卻水套作為直接探究的對象，幾何模型通過三維CAD系統(tǒng)軟件加以確立。毋庸置疑，模型的建立是一個相對繁瑣的過程，在開展仿真計算時會耗費大量的時長，在保證不影響模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，對模型開展一系列簡易化的處置辦法。

幾何模型的創(chuàng)建需經(jīng)UG系統(tǒng)以輸出STP格式的圖形格式進(jìn)行制作，接著用固定的網(wǎng)格生成系統(tǒng)劃分缸體冷卻水套的網(wǎng)格，冷卻水套的外表網(wǎng)格可定為三角形狀，流動的區(qū)域愚弄四面體的網(wǎng)格加以區(qū)分，冷卻水套整體運(yùn)用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，在臨近冷卻水套壁面的區(qū)域周邊，運(yùn)用四面體的網(wǎng)格單元，以便于合乎相對繁瑣的三維空間區(qū)域，在這期間，可對冷卻水套的流動參數(shù)的變化明顯的部位加以適度的網(wǎng)格加密限制。

2.流動仿真的模擬化結(jié)果

2.1.缸體冷卻水套外側(cè)面的矢量

冷卻液在進(jìn)入發(fā)動機(jī)械的缸體冷卻水套之后，因先前受水泵葉輪旋轉(zhuǎn)作用等要素的制約和影響，冷卻液的流動并非呈現(xiàn)單線的形態(tài)，在缸體冷卻水套的首缸外壁面部位的冷卻液未能徹底地沿缸體產(chǎn)生橫向的流動，而是在起先階段流到缸體下底面，接著經(jīng)缸體的下底面流動到缸體的上方一側(cè)，不難發(fā)現(xiàn)，冷卻液在水套的首個缸外壁面的位置出現(xiàn)了漩渦的情形，這樣一來，直接造成首缸體冷卻水套的一些流動的阻力增加劇烈，冷卻液在冷卻水套的外壁面流動速率每況愈下，直接降低了自身的冷卻效果。

2.2.缸體冷卻水套的氣溫

發(fā)動機(jī)缸體的冷卻水套，其氣溫的分布并非均勻不變的，冷卻水套的排氣一側(cè)的氣溫通常要超過進(jìn)氣一側(cè)的氣溫，另外，由于缸體冷卻水套在第四個缸部位的冷卻液流動速度相對較低，直接致使第四個缸體冷卻水套內(nèi)部的氣溫高于另外的每個缸。

2.3.缸體冷卻水套頂平面及底平面的速度

一般情況下，缸體水套的上頂部，冷卻液的流動速率相對迅速，平均的流動速率可達(dá)到1.2m/s.，在第四缸的右端，流動速率始終未降到零，僅在排氣一側(cè)有較少流動速率<0.2m/s的位置。

冷卻液在缸體冷卻水套的下底部流動速率較為遲緩，平均流動的速率僅為0.7m/s，在第四缸的右端部位，流動速率一度下降到零，同時，冷卻液在進(jìn)氣一側(cè)的流動速率均稍高于排氣一側(cè)。綜合對比，不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)械設(shè)備的缸體冷卻水套，其上頂部的冷卻液具體的流動速率要高于水套下底部的速率。

3.優(yōu)化方案的對比

3.1.優(yōu)化方案

通過以上模型分析結(jié)果可知，冷卻液在冷卻水套的首缸體外壁面的部位出現(xiàn)了漩渦狀況，直接造成缸體冷卻的水套內(nèi)部，冷卻液的流動阻力呈現(xiàn)增加的態(tài)勢，流動速率得以下降，給首缸體冷卻水套外壁面的冷卻任務(wù)產(chǎn)生了負(fù)面影響。另外，在第四個缸部位，顯著出現(xiàn)了較低的冷卻液流動速率的位置，造成冷卻水套的第四個缸部位個別區(qū)域熱負(fù)荷的增加，這便需不斷地改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計發(fā)難，以便于整體提升冷卻的效果，方案如下：

首先，可將冷卻水套的冷卻液入口方位下降15mm，采用使冷卻液入口下降的方案避免首缸水套外壁面出現(xiàn)嚴(yán)重的漩渦現(xiàn)象，使冷卻液在首個缸冷卻水套的外壁面的位置處呈現(xiàn)單線的流動狀態(tài)。其次，調(diào)整冷卻液水孔的具體結(jié)構(gòu)，在冷卻水套的排氣一側(cè)的4個圓形處的小孔部位，其冷卻液的流量相對較小，不但未能增加排氣一側(cè)冷卻液的上水量，還使冷卻水套排氣一側(cè)另外部位上的水孔冷卻液的實際量降低，所以，要將其去除。在這期間，為有效地增加首缸排氣一側(cè)方位處的水孔冷卻液量，可把起先用到的首個缸體冷卻水套進(jìn)氣一側(cè)的26號上水孔予以去除，進(jìn)而完成整個方案的優(yōu)化

3.2.同原結(jié)構(gòu)的分析比較

經(jīng)同原結(jié)構(gòu)加以比較可知，冷卻液的流動速率略微增加，冷卻水套上頂部冷卻液的流動速率也有相應(yīng)的增加，這對于改善冷卻效果是大有裨益的。

結(jié)語：

綜上所述，發(fā)動機(jī)械缸體冷卻水套內(nèi)部的冷卻液流動需合乎冷卻的規(guī)范，然而，也暴露一些缺陷，需通過設(shè)計方案的不斷優(yōu)化，增強(qiáng)提升冷卻液的流動速率，達(dá)到增強(qiáng)冷卻效果的目標(biāo)。

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