Flowmaster在整車?yán)鋮s系統(tǒng)管路優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

周正群 韋善景 梁稱邦 朱茂強(qiáng) 穆建華 楊如枝

【摘 要】文章利用一維流體軟件Flowmaster對(duì)公司某車型的整車?yán)鋮s系統(tǒng)建立1D管路模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)不可壓計(jì)算，即不考慮溫度的影響，計(jì)算分析冷卻系統(tǒng)大、小循環(huán)開啟時(shí)各冷卻回路的流量分配情況，評(píng)估了原車型的冷卻管路設(shè)計(jì)的合理性，并在原車型冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)新車型的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)管路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和模擬分析，對(duì)比分析后確定暖風(fēng)管路優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。運(yùn)用仿真軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，為零部件的設(shè)計(jì)開發(fā)提供支持，縮短了冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)周期。

【關(guān)鍵詞】Flowmaster；冷卻系統(tǒng)；冷卻管路；冷卻液流量

【中圖分類號(hào)】U464 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）10-0043-04

0 前言

冷卻系統(tǒng)是整車系統(tǒng)中非常重要的子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理的管路布置結(jié)構(gòu)，能夠確保冷卻液在各冷卻回路上的流量分配更加合理，使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度維持在合適的工作溫度。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，如汽油機(jī)氣缸內(nèi)溫度可達(dá)到1 800～2 000 ℃。與高溫燃?xì)庀嘟犹幍牧慵艿綇?qiáng)烈的加熱，因此需要冷卻。一般來說，燃油燃燒后產(chǎn)生的熱量分配大約30%用于做功，30%通過排氣門排出，10%由發(fā)動(dòng)機(jī)表面散發(fā)，30%需要由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱。

如果冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)，發(fā)動(dòng)機(jī)得不到充分冷卻，會(huì)過熱。于是，充量系數(shù)下降，燃燒不正常，發(fā)生早燃和爆燃現(xiàn)象；零件過熱導(dǎo)致材料力學(xué)性能降低和產(chǎn)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力，導(dǎo)致變形和裂紋；溫度過高，會(huì)使機(jī)油變質(zhì)，燒損和結(jié)焦而失去潤滑性能，破壞潤滑油膜，零件的摩擦和磨損加劇。這些都將引起發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性的全面惡化。

發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻方式分空氣冷卻和液體冷卻2種?？諝饫鋮s就是將空氣吹向帶有散熱片的缸體和缸蓋，直接帶走熱量，這種方式在摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用較多。液體冷卻就是利用冷卻水在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、燃燒室周圍的水套內(nèi)流動(dòng)吸熱，帶走熱量，然后再流到散熱器，將熱量散發(fā)到空氣中，如此不斷循環(huán)。冷卻水的合適溫度為90～100 ℃。水溫過高或過低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作都不利。

液體冷卻是水作吸熱介質(zhì)冷卻內(nèi)燃機(jī)的高溫零件，然后再將熱量傳給空氣的冷卻裝置。這種冷卻方法的優(yōu)點(diǎn)是冷卻比較均勻，可使內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定在最有適宜的水溫下工作，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲小。

冷卻方式根據(jù)冷卻液在內(nèi)燃機(jī)中流動(dòng)方法的不同，分為自然循環(huán)冷卻和強(qiáng)制循環(huán)冷卻2類?，F(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)多數(shù)為強(qiáng)制冷卻模式：冷卻液在冷卻水泵的作用下，由水泵進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋冷卻，帶走熱量，再經(jīng)過散熱器，將內(nèi)燃機(jī)傳給冷卻液的熱量散到大氣中，維持冷卻液溫度在合適的范圍內(nèi)。燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)燃燒后所產(chǎn)生的熱量只有20%～45%轉(zhuǎn)變?yōu)橛行Ч?，其他熱量均以不同方式損失掉了。按照熱能表現(xiàn)為有效功和各種損失的數(shù)量分配來研究燃燒中熱量的利用情況稱為內(nèi)燃機(jī)的熱平衡。冷卻系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)傳給冷卻液的熱量，按照如下公式計(jì)算：

Qt=Qvp cw（t2-t1）

其中，Qvp為冷卻系統(tǒng)的冷卻液每小時(shí)的流量，單位為L/h；cw為冷卻液的定壓比熱容，單位為kJ/（kg·K）；t2，t1分別為冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口和出口處的溫度，單位為K。

1 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

冷卻系統(tǒng)分為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和整車?yán)鋮s系統(tǒng)。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的主要功能是提供冷卻液在這個(gè)冷卻系統(tǒng)中循環(huán)的動(dòng)力（水泵），吸收發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量（缸體和缸蓋的水套），控制發(fā)動(dòng)機(jī)在適合的溫度下運(yùn)行（節(jié)溫器），向整車?yán)鋮s系統(tǒng)提供熱量。整車?yán)鋮s系統(tǒng)的主要功能是冷卻冷卻液（散熱器），向駕駛艙提供熱量（暖風(fēng)機(jī)），排出冷卻系統(tǒng)中產(chǎn)生的氣體和容納冷卻液膨脹后多出來的冷卻液（溢水壺或膨脹箱）。冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

本文通過利用一維熱流體軟件Flowmaster搭建了公司某車型冷卻系統(tǒng)管路模型，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)不可壓（imcompressible steady）計(jì)算，即計(jì)算冷卻液在大、小循環(huán)開啟工況，即溫度在75 ℃（節(jié)溫器關(guān)閉）和105 ℃（節(jié)溫器全開）時(shí)，冷卻回路在發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下的流量分布情況。并在該車型的基礎(chǔ)上，利用Flowmaster軟件對(duì)新車型的冷卻管路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，要求新車型和原車型的冷卻能力基本一致。

1.1 Flowmaster軟件簡介

Flowmaster是目前應(yīng)用非常廣泛的一款一維熱流體仿真軟件，是比較完善的一款系統(tǒng)級(jí)仿真軟件，能夠解決含有各種復(fù)雜元件的工程應(yīng)用問題。其發(fā)展歷史如下。

1968—1971年，D.S.Miller作為英國流體力學(xué)研究協(xié)會(huì)（BHR）首席主管專家，主要研究2個(gè)方面的內(nèi)容：{1}收集、解釋現(xiàn)有的系統(tǒng)內(nèi)流損失數(shù)據(jù)；{2}對(duì)大量流體系統(tǒng)部件進(jìn)行試驗(yàn)，得到可靠的流動(dòng)損失數(shù)據(jù)。

1978年，Miller出版了《Internal Flow Systems》一書，該書包含了大量的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及原始數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上為系統(tǒng)內(nèi)流設(shè)計(jì)提供了詳盡的設(shè)計(jì)指導(dǎo)方案。

1981年，BHR開始開發(fā)一款系統(tǒng)內(nèi)流計(jì)算的商業(yè)軟件，集成試驗(yàn)所得到的全部數(shù)據(jù)及Miller先生的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1987年，F(xiàn)lowmaster正式投入市場，至今20多年的流體系統(tǒng)仿真咨詢的成功經(jīng)驗(yàn)。

2 冷卻系統(tǒng)模擬仿真

2.1 原車型冷卻系統(tǒng)1D模型建立

在3D建模軟件NX軟件中將整車?yán)鋮s系統(tǒng)的冷卻管路和相關(guān)的冷卻部件依次裝配起來，形成完整的整車?yán)鋮s系統(tǒng)3D數(shù)模圖，然后根據(jù)整車?yán)鋮s管路布置3D模型，在Flowmaster軟件中搭建原車型冷卻系統(tǒng)1D仿真分析模型（如圖2所示）。

2.1.1 仿真模型相關(guān)參數(shù)輸入

2.1.1.1 冷卻水套參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套是整車?yán)鋮s系統(tǒng)中很重要的流阻部件，模擬仿真模型中用離散流阻元件代替，需要輸入其流量vs壓力特性數(shù)據(jù)，一般可通過試驗(yàn)測量獲得，或者通過3D CFD軟件計(jì)算獲得。

2.1.1.2 水泵參數(shù)

冷卻水泵是冷卻系統(tǒng)中提供動(dòng)力的部件，使得冷卻液能夠在冷卻系統(tǒng)管路中流動(dòng)，模擬軟件中用離心水泵元件表示。模擬元件中需要輸入水泵的性能數(shù)據(jù)，即揚(yáng)程—流量—轉(zhuǎn)速曲線。由于軟件是根據(jù)相似原則來模擬水泵性能，因此只需要輸入水泵額定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩—流量曲線和揚(yáng)程—流量曲線，再進(jìn)行相關(guān)處理的Suter曲線，水泵數(shù)據(jù)由水泵供應(yīng)商提供。

2.1.1.3 節(jié)溫器參數(shù)

節(jié)溫器是控制冷卻液流動(dòng)路徑的閥門，即控制冷卻循環(huán)大、小循環(huán)的交替，冷卻系統(tǒng)通過節(jié)溫器來調(diào)節(jié)進(jìn)入散熱器回路的冷卻水流量，改變冷卻水自身的散熱強(qiáng)度，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在適宜的溫度下工作。當(dāng)冷卻液溫度低于節(jié)溫器開啟溫度時(shí)，節(jié)溫器內(nèi)的感溫介質(zhì)石蠟呈固體狀態(tài)，節(jié)溫器閥在彈簧預(yù)緊力的作用下關(guān)閉冷卻液流向散熱器的通道，冷卻液只能經(jīng)過旁通通道、水泵返回發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行小循環(huán)。當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到規(guī)定值后，石蠟開始熔化逐漸變成液體，體積隨之增大并壓迫膠管使其收縮口在膠管收縮的同時(shí)，對(duì)推桿作用以向上的推力。由于推桿上端固定，因此推桿對(duì)膠管和感溫體產(chǎn)生向下的反推力使閥門開啟。這時(shí)冷卻液經(jīng)過溫器閥進(jìn)入散熱器回路，并由散熱器經(jīng)水泵流回發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行大循環(huán)。由于節(jié)溫器在加熱和降溫過程中有一定的遲滯效應(yīng)，因此在軟件元件中需要輸入加熱和冷卻2條節(jié)溫器閥門開度隨溫度變化的數(shù)據(jù)曲線。

2.1.1.4 散熱器參數(shù)

散熱器是整個(gè)冷卻系統(tǒng)中非常重要的散熱部件，將冷卻液吸收的熱量散發(fā)到空氣中，模型中需要輸入壓降隨流量變化特性曲線，一般由供應(yīng)商試驗(yàn)測量所得。

2.1.1.5 暖風(fēng)參數(shù)

暖風(fēng)機(jī)是汽車供暖的重要部件，也是整車?yán)鋮s系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)流阻部件，由發(fā)動(dòng)機(jī)出來的冷卻液經(jīng)過暖風(fēng)機(jī)時(shí)，將熱量經(jīng)過換熱翅片傳遞給進(jìn)入駕駛艙內(nèi)的冷空氣，給駕駛艙提供舒適溫度的空氣。模擬仿真模型中需要輸入暖風(fēng)部件的流阻特性數(shù)據(jù)，一般由暖風(fēng)機(jī)供應(yīng)商提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1.1.6 冷卻管路尺寸

冷卻系統(tǒng)中的管路一般包括直管、彎管和“T”形接頭。在3D數(shù)模中，測量實(shí)際管路的結(jié)構(gòu)尺寸，依次輸入1D模型對(duì)應(yīng)的管路元件中。

2.1.2 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

由圖3可以看出，各冷卻回路的流量隨轉(zhuǎn)速的結(jié)果呈線性關(guān)系，這是由泵的性能和冷卻系統(tǒng)的流阻特性決定的。在各轉(zhuǎn)速下，散熱器回路的冷卻液流量占水泵總流量的70%左右，保證了冷卻系統(tǒng)的散熱量；在節(jié)溫器全開，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在為2 000 rpm，水泵轉(zhuǎn)速在2 400 rpm時(shí)，暖風(fēng)機(jī)冷卻回路流量為11.98 L/min，根據(jù)整車需求，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 000 rpm，節(jié)溫器全開的工況下，暖風(fēng)回路冷卻液流量要大于6 L/min。要求散熱器回路的冷卻液流量在節(jié)溫器全開（大循環(huán)開啟）時(shí)，各轉(zhuǎn)速下的流量占總流量的百分比要大于60%；因此，原車型冷卻系統(tǒng)基本能夠滿足整車的冷卻要求。

2.2 新車型冷卻系統(tǒng)1D模型搭建

由于車型業(yè)務(wù)需求變更，需將原車型的暖風(fēng)機(jī)去掉，為了達(dá)到和原車型冷卻效果一致而不影響原車的冷卻，新車型冷卻系統(tǒng)是在原車型冷卻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了更改，將暖風(fēng)機(jī)進(jìn)、出水管路直接短接，其他冷卻回路管路保持不變，但需在短接回路上加節(jié)流孔結(jié)構(gòu)，才能達(dá)到與原車?yán)鋮s系統(tǒng)一致的流量分配情況?，F(xiàn)有節(jié)流孔徑6 mm和9 mm 2種方案，需要通過Flowmaster仿真計(jì)算后確定節(jié)流孔徑大小的方案。新車型冷卻系統(tǒng)管路模型如圖4所示。

2.2.1 仿真計(jì)算結(jié)果及分析

節(jié)溫器全開（105 ℃）工況時(shí)，暖風(fēng)回路、散熱器回路和水泵總流量對(duì)比結(jié)果如圖5所示，結(jié)果對(duì)比可知，節(jié)流孔徑9 mm方案與原車型的暖風(fēng)回路流量基本一致，只有低轉(zhuǎn)速時(shí)有較小差異，散熱器回路及水泵總流量與原車流量基本完全重合，可以滿足新車型的冷卻要求；節(jié)流孔徑6 mm方案雖然與原車型的散熱器回路和水泵回路的流量相差不大，但暖風(fēng)回路的流量比原車型的回路小很多，與原車型差異太大。

3 結(jié)論

（1）本文主要完成了原車型冷卻系統(tǒng)模擬仿真分析，并且完成新車型2種節(jié)流孔方案的一維流場模擬計(jì)算分析。

（2）2種方案在大循環(huán)開啟工況通過與原車型計(jì)算對(duì)比分析，在新車型的暖風(fēng)短接回路上建議采用9 mm的節(jié)流孔徑方案，才能達(dá)到原車型的冷卻效果。

（3）一維流體仿真軟件Flowmaster用于整車?yán)鋮s系統(tǒng)的管路優(yōu)化設(shè)計(jì)中，打破了傳統(tǒng)的由樣件生產(chǎn)再到實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，可以大大縮短冷卻管路優(yōu)化設(shè)計(jì)開發(fā)周期，降低生產(chǎn)設(shè)計(jì)成本。

參 考 文 獻(xiàn)

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[3]成曉北，潘立，周祥軍.車用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作過程與匹配計(jì)算[J].汽車工程，2008（9）：758-763.

[責(zé)任編輯：陳澤琦]