某重型柴油機冷卻水套CFD計算及優(yōu)化設(shè)計

周楊+周祥軍+劉喆+熊釗+高磊

摘 要：本文利用軟件AVL-Fire對現(xiàn)有某重型柴油機冷卻水套進行了CFD計算，分析冷卻液的流動及壓力分布。并結(jié)合實際的工程需要，對該冷卻水套設(shè)計提出優(yōu)化建議。通過CFD計算，對于優(yōu)化后的水套進行分析，評價冷卻液的流動狀態(tài)，為該款發(fā)動機的水套設(shè)計提供指導(dǎo)意見。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng)；水套；CFD；優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TK422 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）03-0060-06

Computer Fluid Dynamic Calculate and Optimize of A Heavy Duty Diesel Cooling Jacket

ZHOU Yang， ZHOU Xiang-jun， LIU Zhe， XIONG Zhao， GAO Lei

（ Dong Feng Commercial Vehicle Technical Centre， Wuhan430056， China ）

Abstract： This paper does some CFD analysis for a heavy duty diesel cooling jacket with the software AVL-Fire， calculating the flow and pressure distribution .Considering for the engineering design， giving some optimization advises for cooling jacket Using the CFD， compare the optimizing case with the old case in the flow and pressure. The work is important for engine cooling jacket design.

Key Words： cooling system； water jacket； CFD； optimal design

引 言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，市場對于重型柴油機的需求越來越高。與此同時，大排量柴油機的功率密度也不斷提升。伴隨著功率密度提升所帶來的發(fā)動機冷卻問題，也越來越嚴(yán)峻[1]。發(fā)動機水套的設(shè)計，對于發(fā)動機本體的冷卻至關(guān)重要。一方面，水套設(shè)計不合理，有可能會導(dǎo)致關(guān)鍵區(qū)域的冷卻能力不夠，從而出現(xiàn)缸蓋開裂等現(xiàn)象。另一方面，冷卻系統(tǒng)的流動損失太大，會導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)效率下降，發(fā)動機功耗增加[2]。

在發(fā)動機水套設(shè)計過程中，CFD計算起到了至關(guān)重要的作用[3]。特別是針對新產(chǎn)品的開發(fā)，CFD計算能夠在設(shè)計階段介入工作，指導(dǎo)設(shè)計師對于水套內(nèi)流動的組織、關(guān)鍵區(qū)域的流量分配等問題進行深入研究，將可能出現(xiàn)的風(fēng)險進行排除。從而增加效率，節(jié)約成本[4][5]。

本文利用軟件AVL-Fire對現(xiàn)有某重型柴油機冷卻系統(tǒng)進行CFD計算，提出優(yōu)化建議，并通過計算，對比分析了優(yōu)化方案的合理性。

1 原方案水套計算模型建立

1.1 原方案水套物理模型

水套模型由進口、機冷器、缸體、缸蓋、出水口及各管路組成。圖1顯示了原方案水套模型總體圖。圖2對缸蓋及缸體水套部分進行了說明。其中缸體和缸蓋下水套缸間斷開，缸體水套壁厚2mm，節(jié)流口厚度為0.5mm。缸蓋下水套缸間斷開缸體與缸蓋之間，通過上水孔連接。上水孔的信息如表1所示。水套模型直接從發(fā)動機模型中抽取，保證準(zhǔn)確性。計算域進口為冷卻系統(tǒng)中水泵出口端，計算域出口為冷卻系統(tǒng)中缸蓋出水口。

1.2 CFD計算模型

本文采用k～ε雙方程模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面方程。將冷卻液視為不可壓縮流體，進口邊界采用體積流量，出口邊界采用壓力梯度為0。網(wǎng)格劃分時，對進出口進行拉伸，拉伸長度為相應(yīng)水力直徑的2倍。

計算介質(zhì)采用體積比為50%的乙二醇水溶液，密度為1022kg/m3。進口流量根據(jù)額定點水泵流量進行換算得到。

2 優(yōu)化方案

2.1 優(yōu)化方案一

由于原水套方案中，上水孔的布置與該機型的上一代機型不同，考慮到缸蓋的兼容性，在新一代發(fā)動機中，需維持原機型的上水孔方案，具體的水孔信息如表2所示。與此同時，針對原水套方案的水流狀況，進行了對應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，具體的優(yōu)化方案如下圖所示：

2.2 優(yōu)化方案二

在優(yōu)化方案一的基礎(chǔ)之上，結(jié)合工程經(jīng)驗，對缸體水套進行了更進一步的優(yōu)化，形成了優(yōu)化方案二。相對于優(yōu)化方案一，具體的變化如下圖4所示：

其中，各缸進水口截面積略有下降，并且各缸進水通道做成異型，同時取消了缸體水套內(nèi)壁面的節(jié)流槽。缸體水套壁厚為2.25mm，節(jié)流口厚度為1.0mm。

3 CFD計算結(jié)果對比分析

通過AVL-Fire軟件對不同方案水套的流動分布進行計算，并通過對比各缸上水量、缸蓋下水套流速、缸體內(nèi)壁面流速、鼻梁區(qū)流速、壓力損失分布等對各方案進行評價。定量說明優(yōu)化方案的優(yōu)勢。

3.1 各缸上水量對比

不同上水方式，會導(dǎo)致上水量均勻性的不同。額定工況下不同方案各缸上水量對比圖如下圖5所示：

通過對比分析，優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二相對于原方案，各缸上水量的呈現(xiàn)相同的變化趨勢。由于上水孔布置形式的變化，導(dǎo)致第1缸和第2缸上水量上升，其他各缸上水量相對下降。出于兼容性方面的考慮，需要維持上水孔布置方案與其他機型相同。

3.2 鼻梁區(qū)流速對比

鼻梁區(qū)屬于發(fā)動機水套設(shè)計的關(guān)鍵區(qū)域，該區(qū)域熱負(fù)荷較高。若冷卻液流速不達(dá)標(biāo)，會導(dǎo)致缸蓋開裂，從而影響發(fā)動機的可靠性。所以對于鼻梁區(qū)冷卻液流速的控制，是至關(guān)重要的工作。下圖對額定工況下不同方案各缸不同鼻梁區(qū)流速進行了對比。

圖6（a）顯示了排-排鼻梁區(qū)的流速對比。兩種優(yōu)化方案，排排鼻梁區(qū)的流速水平相當(dāng)。相對于原方案，優(yōu)化方案整體流速增加，在2-4m/s之間，其中第5缸流速達(dá)到了4m/s。優(yōu)化方案流速水平達(dá)到了設(shè)計需求。

圖6（b）顯示了進-進鼻梁區(qū)的流速對比。兩種優(yōu)化方案的進-進鼻梁區(qū)流速顯現(xiàn)出相似規(guī)律。相對于原方案，優(yōu)化方案流速波動更大，但是流速水平提高。其中，第1缸的流速最低，但是也達(dá)到了設(shè)計要求。

圖6（c）和圖6（d）分別顯示了不同方案進氣側(cè)進-排鼻梁區(qū)流速和排氣側(cè)進-排鼻梁區(qū)流速對比圖。由于該款發(fā)動機從之前的試驗結(jié)果看，以上兩區(qū)域基本不存在開裂風(fēng)險，所以對于這兩區(qū)域的流速要求不高。優(yōu)化方案的流速水平與原方案相當(dāng)，可以滿足該區(qū)域的冷卻需求。

通過對于不同方案各鼻梁區(qū)流速的對比分析，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案在開裂風(fēng)險比較高的排-排鼻梁區(qū)和進-進鼻梁區(qū)流速整體有所提高。在開裂風(fēng)險比較低的進-排鼻梁區(qū)流速與原方案水平相當(dāng)。

3.3 缸蓋下水套流速分布對比

缸蓋下水套涵蓋鼻梁區(qū)等關(guān)鍵區(qū)域，冷卻液在這些關(guān)鍵區(qū)域的流動情況，能夠反映缸蓋水套設(shè)計的水平。圖7對比分析了額定工況下不同方案的缸蓋下水套冷卻液流速分布：

圖7（a）、7（b）、7（c）分別顯示了原方案、優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二的缸蓋下水套流速分布。速度標(biāo)尺為0-3m/s。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案下水套整體流速高于原方案，同時進-進鼻梁區(qū)和排-排鼻梁區(qū)流速也高于原方案，但是各缸流動的均勻性要差。這說明缸蓋水套缸間斷開，能夠提高各缸流動的均勻性。優(yōu)化方案二相對于優(yōu)化方案一，改善了缸間連接處的流動。同時，整體的流動死區(qū)面積減小。說明優(yōu)化方案二中，缸蓋水套中冷卻液流動更合理。

3.4 缸體水套內(nèi)壁面流速分布對比

氣缸內(nèi)的高溫物質(zhì)，通過水套內(nèi)壁面與冷卻液進行換熱。在此過程中，水套內(nèi)壁面的流速對于缸體的冷卻起到關(guān)鍵作用。通過對比不同方案缸體水套內(nèi)壁面的流速分布，能夠了解缸體水套的冷卻液流速水平。具體對比如下圖8所示：

通過對比分析，優(yōu)化方案相對于原始方案，缸體內(nèi)壁面冷卻液流速明顯水平明顯提高。缸體水套上部不存在流動死區(qū)，流速高于1m/s，缸體水套下部流動死區(qū)相對小很多。此外優(yōu)化方案二的水套冷卻液流動狀態(tài)更合理，流動死區(qū)面積更小。這說明，優(yōu)化方案二對于冷卻液在缸體水套中的流動有明顯的改善。

3.5 壓力損失分布對比

合理的水套設(shè)計，一方面要兼顧關(guān)鍵區(qū)域的流動狀態(tài)，另一方面要考慮系統(tǒng)的壓力損失。壓力損失太大，會提高水泵的性能要求，從而增加水泵的功耗，惡化燃油經(jīng)濟性，所以在水套設(shè)計過程中，希望盡可能降低壓力損失。下圖對不同方案的壓力損失水平進行了對比分析。

通過分析，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案二壓力損失水平最低，為78.18kPa，優(yōu)化方案一壓力損失水平最高，為81.7kPa。機冷器部分，各方案壓力損失水平相當(dāng)。缸體部分，原方案壓力損失遠(yuǎn)低于優(yōu)化方案，具體原因是上水孔布置方式不同。原方案采用進排氣兩側(cè)上水，在增加流通面積的同時，降低了缸體出口的背壓。缸蓋部分，原方案的壓力損失要大于優(yōu)化方案。這是因為原方案缸蓋缸間斷開，冷卻液流動受阻。從總體壓力損失來看，優(yōu)化方案二壓力損失最低。

4 總結(jié)

本文根據(jù)工程需要，對原有某柴油機水套進行了優(yōu)化設(shè)計。運用軟件AVL-Fire對原始方案水套進行CFD計算，通過對于結(jié)果的分析，結(jié)合工程經(jīng)驗，對于水套提出了兩種優(yōu)化方案。經(jīng)過CFD計算，從各缸上水量、鼻梁區(qū)流速、缸蓋下水套流速分布、缸體水套內(nèi)壁面流速分布和壓力損失分布等五個方面，對不同方案的水套進行了對比分析，最終證明優(yōu)化方案二不管是從工程需求上，還是流動表現(xiàn)上，都是最優(yōu)的選擇。

本文所呈現(xiàn)的工作，一方面在工程上對目標(biāo)發(fā)動機的冷卻水套進行了優(yōu)化設(shè)計，另一方面詳細(xì)說明了在進行發(fā)動機冷卻水套CFD計算時，需要從以上五個方面對計算結(jié)果進行詳細(xì)分析，對于后續(xù)工作的開展具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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