節(jié)溫器主閥壓力值計(jì)算方法對(duì)比

劉吉林 王宏大 王次安

摘 要：文章對(duì)比討論了三種確定節(jié)溫器主閥壓力值的方法，并通過實(shí)際分析計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。通過分析可知，使用一維分析的邊界進(jìn)行的三維計(jì)算可以得到更精確地壓力值。

關(guān)鍵詞：節(jié)溫器;仿真分析;Flowmaster

中圖分類號(hào)：U464.138? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2019）04-123-02

引言

節(jié)溫器主閥兩側(cè)的壓力差，是設(shè)計(jì)節(jié)溫器的關(guān)鍵參數(shù)之一。為同步進(jìn)行零部件開發(fā)，通常在沒有實(shí)物之前進(jìn)行仿真分析，初步估計(jì)節(jié)溫器主閥兩側(cè)的壓力值。該壓力值的精確計(jì)算有著重要意義。當(dāng)預(yù)估的壓力值過高，導(dǎo)致節(jié)溫器響應(yīng)緩慢;而預(yù)估值偏低又將產(chǎn)生泄露的問題。

為避免這類情況的發(fā)生，在分析過程中采用一維和三維的雙重分析，精確計(jì)算主閥兩側(cè)的壓力值。

1 分析方法探討

通常，在設(shè)計(jì)之初要確定節(jié)溫器兩側(cè)壓力差時(shí)，都是參考冷卻水泵在額定點(diǎn)的揚(yáng)程數(shù)據(jù)。其理論依據(jù)是水泵是整個(gè)冷卻系統(tǒng)的壓力源，任何冷卻系統(tǒng)下級(jí)零件的壓力差都將低于水泵輸出的壓力差（即，揚(yáng)程）。而額定點(diǎn)通常又都是最高轉(zhuǎn)速，此時(shí)水泵確實(shí)也處于最高轉(zhuǎn)速。

這里需要注意的問題如下：其一，水泵額定點(diǎn)的性能參數(shù)實(shí)際上一條曲線，不同流量對(duì)應(yīng)不同的揚(yáng)程。其二，給定的額定點(diǎn)數(shù)據(jù)，是額定轉(zhuǎn)速下大循環(huán)開啟后的水泵輸出數(shù)據(jù)。而給節(jié)溫器提供參數(shù)時(shí)，節(jié)溫器并不開啟，此時(shí)水泵并不在額定點(diǎn)工作。這種情況下，水泵實(shí)際輸出的揚(yáng)程要高于大循環(huán)開啟后的揚(yáng)程。

此外，對(duì)于系列化平臺(tái)化的發(fā)動(dòng)機(jī)，為了適應(yīng)各種改型產(chǎn)品，水泵對(duì)于具體的機(jī)型也不一定工作在最初的額定點(diǎn)上。

即使水泵額定點(diǎn)揚(yáng)程符合要求，要想得到節(jié)溫器主閥前后壓差，還需要減去水套的壓損、從發(fā)動(dòng)機(jī)出水口經(jīng)散熱器再到發(fā)動(dòng)機(jī)入水口這之間的靜壓損失。

所以直接以水泵額定點(diǎn)揚(yáng)程作為節(jié)溫器設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)是一種過度設(shè)計(jì)的思路，并不能視為安全余量。這將使節(jié)溫器主閥彈簧剛度系數(shù)過大，造成響應(yīng)緩慢的問題。

分析節(jié)溫器主閥兩側(cè)壓差，需要建立冷卻系統(tǒng)分析模型，根據(jù)額定點(diǎn)小循環(huán)狀態(tài)下全系統(tǒng)的壓力分布進(jìn)行分析。

通常進(jìn)行冷卻系統(tǒng)分析的時(shí)候，都是建立冷卻系統(tǒng)一維分析模型。將冷卻系統(tǒng)抽象成管路、接頭、流阻塊和水泵。這樣可以提高分析速度，降低建模的復(fù)雜程度。按以往的分析經(jīng)驗(yàn)來看，一維分析的流量結(jié)果通常誤差很小，而節(jié)點(diǎn)壓力偏差較大。這是建模簡化帶來的必然結(jié)果，因?yàn)楦鞣N管路匯合或分離的腔體都不能精確轉(zhuǎn)化成分析元件，只能抽象成若干接頭的排列組合。

而使用三維軟件建模，如果建立全系統(tǒng)則工作量大且復(fù)雜，如果只建立節(jié)溫器局部又缺少邊界。

所以使用一維分析的流量結(jié)果作為邊界，再采用三維分析的方式建立節(jié)溫器閥座（含節(jié)溫器）的精確模型，而后進(jìn)行壓力分析，可以獲得較為理想的計(jì)算結(jié)果。

2 建模及數(shù)據(jù)處理

對(duì)于某款汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，為精確計(jì)算節(jié)溫器主閥壓差，建立全系統(tǒng)一維分析模型，如圖1。

分析工況定為額定轉(zhuǎn)速，小循環(huán)狀態(tài)。此時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速最高，系統(tǒng)總流阻最大，小循環(huán)狀態(tài)下節(jié)溫器關(guān)閉，節(jié)溫器閥前后壓差最大。讀取模型中節(jié)溫器閥座各個(gè)進(jìn)出口的流量數(shù)據(jù)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)。

通過讀取的節(jié)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)，已經(jīng)可以計(jì)算出節(jié)溫器前后的壓力差。該數(shù)值用于最終和三維分析的結(jié)果作對(duì)比。

節(jié)溫器閥座（含節(jié)溫器）的三維幾何數(shù)模如圖2所示。抽取內(nèi)腔作為流體分析對(duì)象。

將一維分析的各個(gè)入口的流量數(shù)據(jù)作為邊界，設(shè)置出口為壓力出口，計(jì)算整個(gè)流體區(qū)域的壓力分布。結(jié)果如圖3所示。

從上圖可知，小循環(huán)狀態(tài)下，節(jié)溫器下表面壓力值最大，顯著高于節(jié)溫器閥的上表面。而前文的一維分析無法得到這一差異，只有節(jié)溫器閥內(nèi)外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力值。

為獲取節(jié)溫器所受液體垂直向上的作用力，沿Y軸作積分運(yùn)算。從結(jié)果還可發(fā)現(xiàn)，液體的剪切力對(duì)閥的壓差貢獻(xiàn)得很小，可忽略。

3 結(jié)論分析

三維積分的結(jié)果直接就是節(jié)溫器主閥兩側(cè)的壓差;一維結(jié)果只是壓力差，需要乘以閥體在Y方向的投影面積。結(jié)算結(jié)果如圖4所示。

如上圖，三維計(jì)算要低于一維計(jì)算結(jié)果，這是因?yàn)槿S分析有著更多的細(xì)節(jié)，能夠更精確的反映出節(jié)溫器閥的幾何結(jié)構(gòu)，而一維分析只能從節(jié)點(diǎn)總壓進(jìn)行計(jì)算，無法考慮前文圖3所展示的壓力分布。而直接根據(jù)水泵揚(yáng)程估算的壓力差最大。通過三維分析得到的結(jié)果比根據(jù)揚(yáng)程估算的結(jié)果要低25%。

4 結(jié)語

通過對(duì)比分析可知，采用三維分析可以更準(zhǔn)確的獲得節(jié)溫器主閥的壓力差。這將有利于提高閥門的響應(yīng)性，有利于冷卻系統(tǒng)的快速反應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

[1] Flowmaster軟件參考文檔.

[2] 高巧，劉吉林等.某型號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)分析及優(yōu)化[J].汽車實(shí)用技術(shù).2017（8）， 129-131.