某汽油機冷卻水套CFD分析

劉芯娟，李波，蔡海濤，阮仁宇，肖海云

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

設(shè)計研究

某汽油機冷卻水套CFD分析

劉芯娟，李波，蔡海濤，阮仁宇，肖海云

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

∶文章通過CFD軟件對發(fā)動機冷卻水套進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到了水套流場的對流換熱系數(shù)以及總壓分布。結(jié)果表明整個水套的總壓降保持在一個較好的水平，熱負(fù)荷較大的區(qū)域的對流換熱系數(shù)均超過推薦值。

∶冷卻水套；CFD技術(shù)；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.009

CLC NO.: U464.138Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)06-25-03

前言

冷卻水套是發(fā)動機的重要組成部分，在冷卻系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。隨著人們對發(fā)動機小型化、高功率要求的不斷提高，發(fā)動機的熱負(fù)荷明顯增大。冷卻水套結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，能夠加強對高溫區(qū)域的冷卻液流動，提高散熱能力，降低這些區(qū)域的熱負(fù)荷，有效提高發(fā)動機的可靠性和耐久性。

隨著計算流體力學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展，各種CFD軟件的日趨成熟，目前CFD技術(shù)已經(jīng)成為研究發(fā)動機冷卻水套的主要方法。本文將借助于AVL公司的CFD軟件FIRE對某型汽油機冷卻水套進(jìn)行數(shù)值分析，對冷卻水套的換熱能力進(jìn)行評估。

1、CFD計算

1.1幾何模型

圖1　水套模型

冷卻水套計算模型包括缸蓋水套、缸體水套以及缸墊水孔（如圖1所示）。由于由于廠家無法提供葉片模型，因此計算模型中不包括水泵為了獲得更接近實際情況的流動，將水套進(jìn)水口處拉伸400mm。

1.2計算網(wǎng)格

CFD分析的本質(zhì)就是對控制方程在計算域上進(jìn)行離散，從而轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散方程組，然后進(jìn)行迭代求解。網(wǎng)格生成是其中的一個關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格質(zhì)量對于計算精度和計算效率有著極為重要的影響。本文使用AVL-FIRE進(jìn)行分析，通過前處理器FAME生成以六面體為主的計算網(wǎng)格。

劃分網(wǎng)格時要遵循以下原則：在物理平面上的網(wǎng)格劃分應(yīng)適應(yīng)物理區(qū)域中參量的變化情況，在變化劇烈的地方網(wǎng)格要劃得稠密些，而在變化平緩處則可以適當(dāng)?shù)南∈枰恍?。這樣，可在同等計算精度的前提下，減少網(wǎng)格數(shù)，縮短計算時間。另外，從邊界條件離散化的角度來看，網(wǎng)格線應(yīng)盡量與物理區(qū)域的邊界線正交，以利于邊界值的計算，且能防止網(wǎng)格畸變，提高計算精度。

1.3邊界條件

1）水套進(jìn)水口邊界采用流量邊界條件，取發(fā)動機額定工況點的水泵流量值162L/min；

2）油冷器支路的邊界也采用流量邊界條件，流量為26.4L/min；

3）增壓器支路出口流量為設(shè)8.9L/min；4）流向暖風(fēng)的出口流量為41.2L/min；

5）出水口采用靜壓邊界條件，取壓力值為1.9bar；

6）冷卻液選擇50%：50%的水和乙二醇的混合物，溫度為105℃。

1.4設(shè)置求解參數(shù)

對于冷卻水套的CFD分析來說，主要是考查其在發(fā)動機額定工況條件下的散熱能力，因此，計算模式選擇穩(wěn)態(tài)計算模式。

求解參數(shù)設(shè)為：迎風(fēng)離散格式，一階隱式格式離散時間項，壓力與速度耦合算法選擇SILMPLE。計算時考慮冷卻液的粘度，將冷卻液的流動設(shè)定為不可壓縮的粘性湍流流動。湍流模型為k-zeta-f方程，使用混合壁處理描述壁面附近邊界層流體速度、壓力等的分布，且要求貼近壁面的網(wǎng)格的y+值在11～200之間。

1.5評價標(biāo)準(zhǔn)

一般來說，冷卻水套的主要評價部位為缸蓋鼻梁區(qū)和缸體火力面。因為對于缸蓋來說，整個缸蓋中熱負(fù)荷最集中的地方在鼻梁區(qū)。對于四氣門發(fā)動機而言，兩個排氣門之間的區(qū)域是熱負(fù)荷最大的地方，推薦此處的換熱系數(shù)在13000 W/m2K以上。

對于缸體水套來說，冷卻條件的評價重點在缸套上部的火力面附近。這是因為缸內(nèi)燃燒集中在活塞接近于上止點的位置，此處熱負(fù)荷較大。一般推薦此處的換熱系數(shù)在6000 W/m2K以上。

2、結(jié)果分析

2.1總壓降

圖2所示的是冷卻水套總壓分布情況，而表1所示的是總壓降的計算結(jié)果。從計算結(jié)果來看，水套進(jìn)水口與出水口之間的總壓降為349mbar，達(dá)到一個良好的水平。油冷器進(jìn)出口間的總壓降為176mbar，也處于可以接受的范圍。從總壓降的水平來看，當(dāng)前的水套設(shè)計是可以接受的。

表1　總壓降計算結(jié)果

圖2　冷卻水套總壓分布

2.2缸蓋結(jié)果分析

圖3是缸蓋水套換熱系數(shù)分布云圖。從計算結(jié)果來看，四個缸的鼻梁區(qū)的對流換熱系數(shù)均較高，全部高于18000W/m2K，完全滿足高于13000W/m2K，說明缸蓋水套換熱能力較強，具有良好的冷卻條件。

圖3　缸蓋水套換熱系數(shù)分布

2.3缸體結(jié)果分析

圖4　缸體水套換熱系數(shù)分布

圖4是缸體水套換熱系數(shù)分布云圖。從計算結(jié)果來看，火力面附近的最低換熱系數(shù)出現(xiàn)在第四缸（如圖4中圓圈所示位置），僅為4000W/m2K左右。

而評價缸體水套換熱能力的是1/3沖程缸體處的平均換熱系數(shù)，其結(jié)果如圖5所示，平均換熱系數(shù)值最低的第四缸也有7632W/m2K，高于6000 W/m2K的評價標(biāo)準(zhǔn)，滿足冷卻要求。

圖5　1/3沖程缸體平均換熱系數(shù)

3、結(jié)論

本文通過CFD軟件對發(fā)動機冷卻水套進(jìn)行了仿真分析，得到以下結(jié)論：

1）整個冷卻水套的總壓降約為349mbar，這是一個較好的水準(zhǔn)。

2）在缸蓋排氣門間的鼻梁區(qū)具有較高的換熱系數(shù)，全部高于18000W/m2K，滿足限值要求，能夠達(dá)到良好的散熱效果。

3）盡管第四缸缸體火力面附近的最低換熱系數(shù)僅為4000W/m2K左右，但是1/3沖程缸體處的平均換熱系數(shù)達(dá)到7632W/m2K，高于6000W/m2K的評價標(biāo)準(zhǔn)，也滿足冷卻要求。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造（上冊）[M].北京:人民交通出版社.2002,3.

[2] 夏興蘭,王勝利,陳大陸.計算流體力學(xué)在發(fā)動機冷卻水套設(shè)計中的應(yīng)用[J]現(xiàn)代車用動力,2006（04）:7-12.

The CFD Analysis on Cooling Jacket of a Gasoline Engine

Liu Xinjuan, Li Bo, Cai Haitao, Ruan Renyu, Xiao Haiyun
(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601)

The article had a 3D numerical simulation on cooling jacket of engine. The convection heat transfer coefficient and total pressure distribution were calculated. The results indicated that total pressure drop of the whole cooling jacket attained a good level. And the convection heat transfer coefficient of the regions whose thermal loads were very high was beyond the recommended value.

Cooling Jacket; CFD Technology; Simulation

∶U464.138

∶A

∶1671-7988 (2016)06-25-03

蔡海濤（1986—），女，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，從事技術(shù)管理。