基于GT-COOL/FLUENT的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系調(diào)溫器聯(lián)合仿真研究

孔祥健， 李言， 楊明順， 孟文煜

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

基于GT-COOL/FLUENT的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系調(diào)溫器聯(lián)合仿真研究

孔祥健， 李言， 楊明順， 孟文煜

(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

本文利用GT-COOL 軟件建立某發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)一維模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真，得到冷卻系統(tǒng)各個(gè)管路的流量、溫度和壓力等數(shù)據(jù)；然后將所得結(jié)果作為邊界條件，利用FLUENT軟件，對(duì)系統(tǒng)中的調(diào)溫器進(jìn)行三維仿真分析，實(shí)現(xiàn)一維與三維流動(dòng)問題的聯(lián)合仿真計(jì)算。通過仿真分析得到調(diào)溫器中冷卻水的溫度場、壓力場等數(shù)據(jù)，進(jìn)而了解調(diào)溫器內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)和工作性能，為調(diào)溫器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

冷卻系統(tǒng)； GT-COOL； 調(diào)溫器； 仿真分析

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是保障發(fā)動(dòng)機(jī)正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要輔助系統(tǒng)之一，其主要功能是保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下都有最適宜的工作溫度[1]。

調(diào)溫器是汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的重要組成部分，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)大小循環(huán)的流量實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的有效控制，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能好壞起重要作用。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部冷卻水道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、腔內(nèi)流動(dòng)的組織和傳熱機(jī)理等方面展開了相關(guān)研究。在對(duì)調(diào)溫器的研究方面主要是向著智能控制以及新型化方向發(fā)展。陳志恒、周連庚等人開展了新型記憶合金節(jié)溫器的研制[2]；袁麗艷、郭新民等人將節(jié)溫器的閥門設(shè)計(jì)成側(cè)壁帶孔的薄型圓筒，由側(cè)孔和中孔形成液流通道，并選用黃銅或者鋁做閥門的材料，使閥門表面光滑，從而達(dá)到降低阻力、提高節(jié)溫器工作效率的目的[3]；王帥、俞小麗等人在冷卻系統(tǒng)中將電動(dòng)三通比例閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式節(jié)溫器，實(shí)現(xiàn)了節(jié)溫器的智能電控化[4]；T.Mitchen等人在采用石蠟節(jié)溫器、電動(dòng)兩通閥、電動(dòng)三通閥和不安裝節(jié)溫器四種情況下分別進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為電動(dòng)三通閥在發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間和燃油經(jīng)濟(jì)性方面的性能最好[5]；劉鵬、謝劍剛等人開展了氣動(dòng)式節(jié)溫器的研究[6]。

雖然新型調(diào)溫器產(chǎn)品的技術(shù)含量越來越高，控制也越來越精確，但傳統(tǒng)蠟式調(diào)溫器因其良好的可靠性和性價(jià)比，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尤其是商用車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用仍占據(jù)著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。蠟式調(diào)溫器市場需求大，原理簡單，工作不受發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的水壓影響，水流阻力較小，壽命長，所以短時(shí)間內(nèi)很難被取代。蠟式調(diào)溫器的機(jī)械式結(jié)構(gòu)和類閥門的工作原理決定它在結(jié)構(gòu)改進(jìn)和功能提升上有很大空間，運(yùn)用有限元的方法對(duì)調(diào)溫器流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析以實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部的可視化，對(duì)其流道的優(yōu)化、工作性能的提升以及冷卻系統(tǒng)的冷卻能力的提高具有重要的理論和實(shí)際工程意義。

對(duì)調(diào)溫器流場進(jìn)行仿真分析所需要的邊界條件較多，這些邊界條件企業(yè)難以提供，用實(shí)驗(yàn)方法測量又比較復(fù)雜，本文考慮通過GT-COOL軟件建立冷卻系統(tǒng)一維模型，分析冷卻系統(tǒng)的工作規(guī)律以及調(diào)溫器對(duì)冷卻系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，通過仿真得到系統(tǒng)中冷卻水循環(huán)流量、溫度、壓力等參數(shù)的變化情況；在此基礎(chǔ)上，用所得數(shù)據(jù)作為邊界條件，對(duì)調(diào)溫器進(jìn)行CFD分析，得到調(diào)溫器流場的相關(guān)特性，并找出影響其工作的因素，為優(yōu)化其結(jié)構(gòu)提供條件。

1 調(diào)溫器及其工作原理

調(diào)溫器可分為普通調(diào)溫器、壓力平衡式調(diào)溫器、罩體調(diào)溫器等。普通蠟式調(diào)溫器按照型號(hào)的不同可以分為底通型、直通型、旁通型、組合式旁通型等。罩體調(diào)溫器根據(jù)罩體的材料不同又分為鋁罩體調(diào)溫器和塑料罩體調(diào)溫器。

圖1(a)為常用的蠟式調(diào)溫器，主要由外殼、蠟丸、推桿、膠管、彈簧、主閥門等部件組成；圖1(b)為調(diào)溫器的感溫體，外部以銅為材料，既有利于導(dǎo)熱，又不易熱變形，一般厚度為1～2 mm。罩體調(diào)溫器除了這些結(jié)構(gòu)以外，還有3個(gè)或3個(gè)以上的通道接外部零部件。

蠟式調(diào)溫器的工作原理如圖2所示：當(dāng)溫度升高時(shí)，感溫包內(nèi)的蠟丸受熱膨脹，體積增大使膠管變形以推動(dòng)推桿，推桿產(chǎn)生的反作用力推動(dòng)閥體，在彈簧作用下閥門打開，根據(jù)溫度的高低閥門開度不同。調(diào)溫器就是通過改變閥門的開度而控制冷卻系統(tǒng)流量循環(huán)的大小，以調(diào)節(jié)冷卻系的散熱能力，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在合適的溫度范圍內(nèi)工作。

2 冷卻系統(tǒng)仿真分析

2.1 仿真模型的建立

GT-COOL軟件是專門用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真分析的軟件，廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)等工作。該軟件具有豐富的物理模型和分析功能，使得它能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行專業(yè)權(quán)威性分析，軟件基于流體及熱力學(xué)計(jì)算理論，所采用的隱式格式流動(dòng)求解器，使得求解快速、穩(wěn)定、可靠[4]。通過GT-COOL建立一個(gè)某型號(hào)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)一維模型，如圖3所示。模型中包含了冷卻系統(tǒng)的主要元件：發(fā)動(dòng)機(jī)剛體、水泵、節(jié)溫器、散熱器、膨脹水箱等。

2.2 仿真條件

取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，水泵的傳動(dòng)比為1.0，泵的參考流量為0.004 kg/s，參考?jí)毫θ?.4 bar，調(diào)溫器的溫度-開度特性曲線如圖4所示，其余數(shù)據(jù)部分采用系統(tǒng)默認(rèn)值，仿真時(shí)間設(shè)定為600 s。

2.3 仿真結(jié)果

對(duì)冷卻系統(tǒng)的研究主要涉及3種參數(shù)：冷卻液的流量、系統(tǒng)壓力、系統(tǒng)溫度。通過仿真得到在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min下該冷卻系統(tǒng)大小循環(huán)的流量、溫度隨時(shí)間的變化曲線以及系統(tǒng)的溫度分布。圖5為流量變化曲線，圖6為溫度變化曲線，圖7為閥門升程曲線。

由獲得的曲線可以看出，0時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作，水溫逐漸升高，溫度沒達(dá)到調(diào)溫器初開溫度前，冷卻水全部流經(jīng)小循環(huán)。當(dāng)溫度逐漸再升高，到200 s時(shí)，調(diào)溫器閥門逐漸開啟，部分冷卻水開始逐漸流經(jīng)大循環(huán)，保證冷卻系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定。由此說明所建立的冷卻系統(tǒng)模型是正確的，可以預(yù)測冷卻系統(tǒng)及調(diào)溫器的工作規(guī)律。

3 調(diào)溫器CFD分析

3.1 建模與網(wǎng)格劃分

由上面冷卻系統(tǒng)的分析結(jié)果可以得到冷卻系統(tǒng)大小循環(huán)的流量及溫度，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)任意時(shí)刻調(diào)溫器的狀態(tài)作分析。確定某一時(shí)刻作為邊界條件，本文取t=420 s，此時(shí)主閥門的升程為2.8 mm，用PROE建立該開度(主閥門的升程為2.8 mm)的調(diào)溫器流場模型，建模時(shí)忽略彈簧及部分支架以簡化模型，建立的流場模型如圖8(a)所示。由于流場模型不對(duì)稱，所以網(wǎng)格劃分必須對(duì)整個(gè)三維流場進(jìn)行，將PRO/E建立的流場模型轉(zhuǎn)換成IGES通用格式，導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件GAMBIT中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)調(diào)溫器流場模型的進(jìn)出口進(jìn)行適當(dāng)延長以保證充分流動(dòng)。采用的網(wǎng)格類型主要為四面體，中心處的溫感區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此處進(jìn)行網(wǎng)格加密。劃分所得的網(wǎng)格數(shù)越多，計(jì)算量也就越大，分析的效果也就越準(zhǔn)確。本文經(jīng)劃分所得網(wǎng)格數(shù)為233 181個(gè)，網(wǎng)格模型如圖8(b)所示。

3.2 仿真分析

選擇Fluent的三維單精度求解器，采用Pressure Based求解器、隱式求解(Implicit formulation)、定常流動(dòng)(Steady)。把網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent中運(yùn)算，求得冷/熱水入口速度分別為0.58 m/s、0.9 m/s，計(jì)算冷熱水入口的雷諾數(shù)與湍流強(qiáng)度，冷、熱水入口溫度分別為352 K、364 K，求解方程采用三維不可壓N-S方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)，離散方程的求解方法采用SIMPLE算法，采用隱式的全場迭代解法[5]，邊界條件規(guī)定進(jìn)口速度與出口壓力，仿真迭代步數(shù)設(shè)為600步。

3.3 仿真結(jié)果

分析后建立適當(dāng)?shù)挠^察面對(duì)流域內(nèi)部進(jìn)行觀察，可以得到該開度下調(diào)溫器內(nèi)部截面的溫度、壓力、速度的分布。通過可視化結(jié)果，可以清楚地看到冷卻水在調(diào)溫器中的流動(dòng)狀況，以便于分析調(diào)溫器的工作性能好壞，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供條件。

1) 截面溫度云圖

為了便于觀察，以調(diào)溫器感溫體和出口的中心為對(duì)稱面，分別建立3個(gè)截面(X=220 mm，Y=56 mm，Z=-7 mm)以觀察調(diào)溫器流場的溫度分布(見圖9～11)，以方便觀察該開度下調(diào)溫器流場內(nèi)部的熱交換情況。

由圖9～11可以看出在熱水的出口處的感溫體下部分區(qū)域，是整個(gè)流場熱交換最強(qiáng)的區(qū)域，感溫體周圍基本被冷水包圍，說明該開度下感溫體感知的是冷水溫度。

2) 感溫體溫度云圖

建立調(diào)溫器流場與感溫體的耦合模型進(jìn)行分析，對(duì)固體感溫體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置材料為銅，厚度1 mm，分析后可得感溫體表面的溫度分布。

圖12為調(diào)溫器感溫體的溫度分布圖。從圖12可以看出感溫體表面的溫度等值線，還可看出感溫包內(nèi)的溫度要比感溫體附近的冷卻水溫度高，這是其遲滯性的表現(xiàn)，內(nèi)部蠟丸的溫度約為356 K。

3) 截面速度云圖與速度矢量圖

從圖13(a)可看出，調(diào)溫器內(nèi)冷卻水流速最快的區(qū)域?yàn)閮砷y門出口處，因?yàn)榇颂幜魍娣e很小，流速能達(dá)到2 m/s左右，而流速最小的區(qū)域達(dá)到0.2 m/s。

從圖13(b)可看出：渦流區(qū)的中心和出口的回流處流體的流速較小，而回流產(chǎn)生于出口的上下部分，出口中心處的流體流動(dòng)比較平穩(wěn)，這是由其流道的結(jié)構(gòu)決定的，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量使出口的流體流動(dòng)平穩(wěn)化；感溫體兩側(cè)區(qū)域存在渦流，這是由調(diào)溫器的結(jié)構(gòu)決定的，此處產(chǎn)生渦流對(duì)調(diào)溫器的感溫是有利的，可以使冷熱水在感溫體周圍充分流動(dòng)換熱，而出口處有部分回流產(chǎn)生，此處易產(chǎn)生真空，不利于冷卻水迅速到達(dá)水泵。

4) 壓力云圖

圖14為流場的總壓分布和絕對(duì)壓力分布圖。

總壓力是指不包含大氣壓力和流體的動(dòng)壓的壓力，絕對(duì)壓力是指包含大氣壓力與流體動(dòng)壓的壓力。圖14中出現(xiàn)的部分負(fù)壓是由于調(diào)溫器和水泵安裝在一起，水泵入口處的負(fù)壓導(dǎo)致調(diào)溫器出口也會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，調(diào)溫器內(nèi)絕對(duì)壓力最大達(dá)到102 kPa，而最小壓力達(dá)到89 kPa。

4 結(jié) 論

1) 通過GT-COOL建立的某發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模型為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的研制提供方便快捷的模擬計(jì)算平臺(tái)，并為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供合理的技術(shù)數(shù)據(jù)。通過一維仿真結(jié)果，可以清晰地看到發(fā)動(dòng)機(jī)在不同狀態(tài)下和不同時(shí)刻冷卻系統(tǒng)中各個(gè)部件及管路的工作狀態(tài)，對(duì)預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能狀態(tài)有重要作用。

2) 由一維仿真結(jié)果可以得到冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的相關(guān)參數(shù)，與三維仿真相結(jié)合可以，對(duì)冷卻系統(tǒng)中的相關(guān)部件進(jìn)行分析，得到部件內(nèi)冷卻液的流場、換熱系數(shù)及壓力場與溫度場等的分布情況，為部件的優(yōu)化提供條件。

3) 通過建立簡單的冷卻系模型，得到相關(guān)參數(shù)，用Fluent對(duì)調(diào)溫器做了CFD分析，得到了發(fā)動(dòng)機(jī)在某一時(shí)刻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，冷卻系統(tǒng)中調(diào)溫器的工作狀態(tài)及內(nèi)部流場的分布狀況，根據(jù)其流場狀態(tài)可以為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

[1]姚仲鵬,王新國.車輛冷卻傳熱[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2001.

[2]陳志恒,周連庚,嚴(yán)敏杰.形狀記憶合金節(jié)溫器的研制[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào),2002,28(6):92-95.

Chen Zhiheng, Zhou Liangeng, Yan Minjie. The development of shape memory alloy thermostat [J]Journal of Donghua University, 2002,28(6):92-95.

[3]袁燕利,邢娟,郭新民,等.新型電控節(jié)溫器的研究設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2001,(1):78-80.

Yuan Yanli, Xing Juan, Guo Xinmin,et al. The study of the new electronic thermostat design[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2001,(1):78-80.

[4]王帥,俞小麗.電子節(jié)溫器設(shè)計(jì)開發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2011,(6):46-48.

Wang Shuai,Yu Xiaoli. Electronic thermostat design development and test[J].Vehicle Engine, 2011,(6):46-48.

[5]Mitchell T, Salah M, Wagner J, et al. Automotive thermostat valve configurations: enhanced warm-up performance[J].Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control,2009,131:1-7.

[6]劉鵬.氣動(dòng)式汽車節(jié)溫器的研究與開發(fā)[D].武漢:武漢科技大學(xué),2008.

Liu Peng. Research and development on the aerodynamic thermostat[D].Wuhan University of Science and Technology,2008.

[7]丁攀,宋偉奇.淺述節(jié)溫器的發(fā)展[J].科技資訊,2012,36(2):56-57.

Ding Pan, Song Weiqi. Discussion on the thermostat’s development[J]. Science & Technology Information, 2012,36 (2):56-57.

[8]潘永成.基于CFD的調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場流動(dòng)特性研究[J].機(jī)床與液壓, 2011,39(1):1-3.

Pan Yongcheng. Analysis of inner flow field characteristics of a control valve based on CFD[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2011,39(1):1-3.

[9]John R W, Darren M D, Egidio M. An advanced engine thermal management system: nonlinear control and test[J]. Transactions on mechatronics,2005,10(2):210-220.

[10]崔艷偉,宋希庚.某16缸柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)一維與三維聯(lián)合仿真[J]. 內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2012,(6):26-33.

Cui Yanwei, Song Xigeng. One-dimensional and three-demensional co-simulation of cooling system in a 16-cylinder diesel engine[J]. Internal Combustion Engine & Powerplant,2012,(6):26-33.

[11]石娟.閥內(nèi)三維流動(dòng)與啟閉過程的數(shù)值模擬及分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2005,27(6):499-501.

Shi Juan. The three dimensional flow in the valve with the opening and closing process of numerical simulation and analysis[J]. Journal of Shanghai University of Science and Technology, 2005,27(6):499-501

[12]于秀敏,陳海波，等.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中流動(dòng)與傳熱問題數(shù)值模擬進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2008,44(10):79-82.

Yu Xiumin, Chen Haibo, et al. Development of numerical simulation on flow and heat transfer in internal combustion engine cooling system [J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2008,44(10):79-82

(責(zé)任編輯 王衛(wèi)勛)

United simulation research on the thermostat in automotive cooling system

KONG Xiangjian, LI Yan, YANG Mingshun, MENG Wenyu

(Faculty of Mechanical and Precision Instrument Engineering,Xi’an University of Technology, Xi’an 710048，China)

Based on the GT-COOL software, the one-dimensional model of the engine cooling system can be built. The data of the engine cooling system, such as the flow of each line, the temperature, the pressure，etc., can be obtained by the simulation. And then, the obtained results are used as the boundary conditions; FLUENT software is used to carry out three-dimensional simulation analysis of the thermostate in the system, so as to achieve the one-dimensional and the three-dimensional united simulation calculation of flow problem.The data of temperature field and pressure field, etc. of cooling water in the thermostat are obtained through the simulation analysis, whereby further understanding the inner flow state and working performances of the thermostat so as to provide data supports for optimizing the thermostat structure.

cooling system; GT-COOL software; thermostat; simulation analysis

1006-4710(2015)02-0195-06

2014-11-28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475366)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20116118110005)；陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(12JS072)。

孔祥健，男，碩士生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。E-mail:xiangjiankong0224@163.com。

李言，男，教授，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)榧庸すに?、難加工材料及深孔加工。E-mail:Jyxy-ly@xaut.edu.cn。

TK402

A