新型兩缸發(fā)動機(jī)水套的熱力學(xué)仿真分析與優(yōu)化設(shè)計

曾 意 安聰慧 胡 攀 李連豹 韋 虹 李雙清

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利動力總成有限公司 3-浙江吉利控股集團(tuán)有限公司）

引言

發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)熱管理的重要保障，冷卻系統(tǒng)能夠保障發(fā)動機(jī)在合適的溫度下進(jìn)行工作，從而保證發(fā)動機(jī)的正常性能。當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，如果冷卻不足，會使得發(fā)動機(jī)缸體內(nèi)溫度過高，零部件熱負(fù)荷增大，容易導(dǎo)致爆震；同時溫度過高會導(dǎo)致機(jī)油變質(zhì)，油性變差，使得發(fā)動機(jī)各部件得不到較好的潤滑而加劇了磨損，導(dǎo)致零件壽命縮短[1]。然而，如果冷卻過度，會使得發(fā)動機(jī)燃燒做功而產(chǎn)生的能量大大浪費(fèi)，相關(guān)的熱力學(xué)計算和實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量大約有20%～30%會被冷卻液體帶走[2]。由此可知，冷卻不足和冷卻過度都會嚴(yán)重影響發(fā)動機(jī)的性能和燃燒效率，因此，對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計和優(yōu)化是提升發(fā)動機(jī)性能和熱效率的重要途徑，也是發(fā)動機(jī)研究領(lǐng)域的重要研究課題。

在發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)中，發(fā)動機(jī)水套是其中的重要部件，其涉及到燃燒室、缸體、缸蓋以及火花塞附近區(qū)域，這些區(qū)域都是發(fā)動機(jī)工作時熱負(fù)荷較高的重要區(qū)域，也是最需要進(jìn)行熱管理的區(qū)域。因此，合理的水套設(shè)計對發(fā)動機(jī)的熱管理起著重要的作用，使得發(fā)動機(jī)能夠在合適的溫度工況下進(jìn)行工作，從而保證其正常的性能。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對發(fā)動機(jī)水套的熱力學(xué)仿真進(jìn)行過相關(guān)的研究并獲得了滿意的成果。Jim Covey 等[3]通過CFD 仿真研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化缸蓋墊片可以改善冷卻系在水套中的分布，是一種改善冷卻系統(tǒng)非常有效的方式；Satheesh 等[4]通過CFD 方法對水套進(jìn)行溫度以及流體流動分析，并用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析的可行性；Nikolaos Karras[5]通過仿真研究了發(fā)動機(jī)水套的熱力學(xué)性能并優(yōu)化了水套結(jié)構(gòu)；詹樟松等[6]針對發(fā)動機(jī)耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，通過流體仿真分析發(fā)現(xiàn)水套內(nèi)存在流動死區(qū)，并對發(fā)動機(jī)出水方式、缸蓋出水口進(jìn)行優(yōu)化，改善了發(fā)動機(jī)水套性能；鄭清平等[7]利用CFD 仿真技術(shù)對發(fā)動機(jī)的冷卻水套進(jìn)行了三維模擬，并研究了不同流速下水套壓力及換熱系數(shù)的分布情況并以此指導(dǎo)發(fā)動機(jī)水套進(jìn)行設(shè)計；劉曉丹[8]和王楠[9]都使用CFD 方法對發(fā)動機(jī)水套進(jìn)行了詳細(xì)的仿真計算，并根據(jù)仿真的結(jié)果對水套進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的模型相比原始模型有較大的改善。

然而以上的研究主要集中在傳統(tǒng)的四缸機(jī)和三缸機(jī)中，很少有學(xué)者對兩缸機(jī)的發(fā)動機(jī)水套進(jìn)行相關(guān)熱力學(xué)分析。而隨著國家節(jié)能減排的需求，汽車輕量化越來越受到全球科研人員及汽車設(shè)計人員的重視，小型的發(fā)動機(jī)也將會是未來動力總成的發(fā)展方向。因而，本文針對目前吉利開發(fā)的新穎兩缸兩沖程的小型發(fā)動機(jī)為研究對象，重點(diǎn)研究一下其發(fā)動機(jī)水套的熱力學(xué)性能，并使用仿真分析的方式對水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提出相應(yīng)的合理化設(shè)計建議，從而保證發(fā)動機(jī)熱管理的性能要求。

1 水套的流體模型及評價指標(biāo)

1.1 水套的幾何模型

試驗(yàn)選取了一種新型的兩缸發(fā)動機(jī)為研究對象，為了實(shí)現(xiàn)這款發(fā)動機(jī)的超高效率，需要對其熱管理系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)研究。本文選取此發(fā)動機(jī)的冷卻水套為研究對象，主要通過流體仿真軟件STAR CCM+對水套進(jìn)行熱力學(xué)仿真和相關(guān)的設(shè)計優(yōu)化，圖1 給出了此水套流體仿真的基本流程框圖。

圖1 水套流體仿真的基本流程框圖

為了充分展現(xiàn)冷卻液在發(fā)動機(jī)水套內(nèi)的流動情況，將發(fā)動機(jī)的水套抽取成對應(yīng)的三維模型。由于水套的實(shí)際三維結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，如果按照其真實(shí)模型進(jìn)行建模將十分困難，因此需要在不影響水套熱性能的前提下，將水套模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化，去掉了一些小的連接部分和曲面倒角，保證簡化后的模型不影響分析結(jié)果，同時大大降低仿真工作[10]，簡化后的水套模型如圖2 所示。水套的幾何模型主要包括排氣口、進(jìn)水口、缸體部分、缸蓋部分、火花塞區(qū)域和出口等。如圖2 所示，冷卻水路的循環(huán)流動方向?yàn)椋豪鋮s水從進(jìn)水口進(jìn)入后，一部分流進(jìn)排氣口區(qū)域，然后流向缸體和缸蓋部分，最后從出水口流出；另一部直接流向缸體部分，然后到缸蓋部分，最后從出水口流出。

圖2 發(fā)動機(jī)水套的幾何模型

1.2 水套的流體模型和邊界條件的定義

為了通過流體仿真正確反映發(fā)動機(jī)水套流體的流動情況，需要選取合適的流體仿真模型，其仿真模型主要包括其物理模型和幾何模型。為了對水套模型進(jìn)行流體分析，需要將建立好的幾何模型導(dǎo)入Star CCM+中進(jìn)行流體區(qū)域劃分，再將零部件分配至流體區(qū)域時，為每個零部件分配一個流體區(qū)域并為每個零部件表面分配一個邊界。為了定義水套模型的進(jìn)出口參數(shù)，將其進(jìn)出口提取為單獨(dú)的流體邊界從而進(jìn)行相關(guān)的邊界定義。

物理模型是流體仿真可靠性的前提，因此選擇正確合理的物理模型至關(guān)重要，本文是模擬三維定常下的液體流動，選擇了適用范圍廣、精度合理的k-ε 湍流模型[11]，流體的密度為997.561 kg/m3。同時網(wǎng)格模型決定了仿真計算的精度和收斂性，合適的網(wǎng)格模型以及網(wǎng)格大小對流體仿真有著重要的影響。圖3 給出了此發(fā)動機(jī)水套的網(wǎng)格模型的示意圖。本文選擇的網(wǎng)格模型為多面體網(wǎng)格，為了在保證網(wǎng)格精度的前提下，降低仿真計算的時間，選擇的網(wǎng)格尺寸大小為2 mm，同時為了更真實(shí)模擬流體在近壁面處的流動情況，選取了棱柱層網(wǎng)格，使得模型在近壁面處形成兩層棱柱層。為了防止流體在進(jìn)出口處出現(xiàn)回流現(xiàn)象，將進(jìn)出口流體邊界進(jìn)行拉伸層網(wǎng)格設(shè)置，共拉升10 層，拉升的總長度為20 mm。

圖3 水套的網(wǎng)格模型

水套流體區(qū)域的外表面設(shè)置成壁面，類型選擇溫度，溫度設(shè)置為100 ℃。進(jìn)口區(qū)域邊界選擇為質(zhì)量流量，根據(jù)水泵的設(shè)計，質(zhì)量流率設(shè)置為50 L/min，進(jìn)口溫度設(shè)置為90 ℃，出口區(qū)域邊界選取壓力出口，出口壓力設(shè)置0.18 MPa，出口溫度為100 ℃。

1.3 水套仿真的評價指標(biāo)

水套的熱力學(xué)仿真是水套設(shè)計過程中的重要依據(jù)，通過對水套進(jìn)行仿真分析可以發(fā)現(xiàn)水套結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理的地方，從而方便后續(xù)的設(shè)計優(yōu)化。流體仿真計算完成后，為了表征仿真結(jié)果是否滿足性能要求，需要相應(yīng)的評價指標(biāo)對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，常用的分析評價指標(biāo)有：速度場分析、換熱系數(shù)分析以及壓力場分析等。

其中，速度場分析包括速度流線圖和速度云圖，速度流線圖可以清楚地反映流體在流體仿真區(qū)域的流動方向，速度云圖可以清楚地表示不同區(qū)域的速度大小，以此為依據(jù)，我們可以了解流動低速區(qū)和流動死區(qū)的位置，從而對設(shè)計模型的優(yōu)化提供指導(dǎo)。

換熱系數(shù)HTC（Heat Transfer coefficient）是指在穩(wěn)定的傳熱條件下，維護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為1 ℃，單位時間通過單位面積傳遞的熱量，反映了傳熱過程的強(qiáng)弱。換熱系數(shù)能夠很好地表征冷卻水套的冷卻能力。換熱系數(shù)越高，表示冷卻效果越強(qiáng)。在水套幾何尺寸以及流體物性參數(shù)不變的情況下，換熱系數(shù)的大小跟液體的流速有著至關(guān)重要的關(guān)系。

壓力場反映了流體在冷卻水套不同區(qū)域的壓力分布情況。液體的流動是從高壓區(qū)流向低壓區(qū)，壓力的分布可以明確地解釋冷卻液體的流向。壓力大小的分布為水套的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，同時可以根據(jù)壓力場的分布反映不同區(qū)域之間的壓差，尤其是進(jìn)出口的壓差，從而可以為水泵及附件等提供相關(guān)的設(shè)計輸入。

2 水套仿真分析與優(yōu)化

2.1 原始模型的仿真結(jié)果分析

2.1.1 水套模型速度場的分析

圖4 給出了水套熱力學(xué)仿真后的速度分布云圖。從圖4a）中可以看出，不同的區(qū)域，水流的速度不同。整體來說，除了進(jìn)口與缸體的連接區(qū)域以及出口附近的區(qū)域流速較大以外，絕大部分區(qū)域的水流速度都小于1.2 m/s。這種流速整體來說使得水套的冷卻效果較差，無法很好地帶走燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)崃?。排氣口附近由于溫度較高，因此需要較強(qiáng)的冷卻效果，而從圖中我們可以看出，排氣口附近區(qū)域的流速較低，整體來說低于0.4 m/s，這樣使得排氣口區(qū)域無法很好地進(jìn)行冷卻。同樣，由于缸蓋的部分火花塞區(qū)域是點(diǎn)火燃燒的區(qū)域，因此，此處的溫度分布相對比較高。從圖中可以明顯看出，大部分區(qū)域的流體流速也非常低，流速不超過0.8 m/s，冷卻的效果并不是非常理想。

圖4 水套的速度場分布

從圖4b）中可以看出，流體在兩缸中流動的分布不太均勻，左邊缸蓋鼻梁區(qū)，有些地方的流速分布超過0.8 m/s，甚至超過1.2 m/s，而右邊的缸蓋鼻梁區(qū)域，液體流體主要集中在0.8 m/s 左右。這種不均勻性主要是由于流體進(jìn)口在左側(cè)，使得冷卻液更容易從左側(cè)的缸體流向缸蓋部分，從而使得流速整體偏大。

總體來說，冷卻液在水套中的流速不大，冷卻效果不是很好，在排氣口和火花塞附近區(qū)域需要著重冷卻的地方，其冷卻效果卻不是很好。另外速度場在兩缸的分布上不太均勻。

2.1.2 水套模型換熱系數(shù)的分析

圖5 給出了發(fā)動機(jī)水套的換熱系數(shù)分布圖，其分布圖與水套的流速分布圖比較類似，并且換熱系數(shù)與流速的分布存在一定的正向關(guān)系。在流體的進(jìn)口處，由于冷卻液的流速較快，使得此處的換熱系數(shù)較大，換熱系數(shù)超過10 000 W/（m2·K），能夠起到很高的冷卻效果。從圖中可以明顯看出，在排氣口區(qū)域，換熱系數(shù)整體偏低，絕大部分地方都小于3 500 W/（m2·K），這主要是由于冷卻液向下流經(jīng)整個排氣口區(qū)域的流速非常低，導(dǎo)致其換熱系數(shù)較低。而排氣口區(qū)域是熱負(fù)荷較高的區(qū)域，對于這樣的區(qū)域，一般要求換熱系數(shù)在5 000 W/（m2·K）以上才滿足冷卻的要求，因此水套模型排氣口區(qū)域的換熱性能不足，需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。另外，從圖中可以看出雖然水套缸體部分的換熱系數(shù)基本滿足冷卻需求，但是由于兩缸的換熱系數(shù)存在較大的差別，會導(dǎo)致兩缸的冷卻不均勻，這種情況會使得缸體容易發(fā)生局部變形。缸蓋鼻梁區(qū)也是熱負(fù)荷較高的區(qū)域，而換熱系數(shù)的分布圖中顯示出部分鼻梁區(qū)域上的換熱系數(shù)依然較小，可能發(fā)生局部換熱不佳現(xiàn)象。

圖5 水套模型的換熱系數(shù)

2.1.3 水套模型壓力場的分析

圖6 給出了水套模型在經(jīng)過CFD 計算后的壓力分布圖。從圖中可以清楚看出水套各部分的壓力分布情況，最大壓力在進(jìn)口處，當(dāng)液體從進(jìn)口流進(jìn)水套內(nèi)部時，在缸體的最左側(cè)與進(jìn)口相接觸的區(qū)域形成較大的壓力，說明由于進(jìn)口布置的原因，大量的流體快速流經(jīng)此處，形成較大的壓力。圖中明顯看出，整個水套最下面的部分，即排氣口附近區(qū)域，壓力較高，基本上全部超過0.184 MPa，而在缸體部分，整體壓力大概分布在0.183 MPa～0.185 MPa。說明缸體部分的壓力整體來說沒有壓力排氣口區(qū)域大，從中可以看出流體的流向是從高壓流向低壓，壓差越大越容易流動，進(jìn)口處與缸體部分的壓差要大于其與排氣口區(qū)域的壓差，因此當(dāng)流體從進(jìn)口進(jìn)入后，相比下端的排氣口區(qū)域，流體更容易在缸體中流動。這一現(xiàn)象正好說明了圖4 中的流速分布現(xiàn)象，導(dǎo)致流體在排氣口區(qū)域的流速過低，無法較好起到冷卻的作用。由圖中可以看出部分小范圍區(qū)域的壓力明顯比周圍區(qū)域的壓力大，此處容易造成少量流體回流的現(xiàn)象。

圖6 給出了水套模型在經(jīng)過CFD 計算后的壓力分布圖

圖7 通過速度切片給出了水套模型的一些局部壓力示意圖。由圖可知，由于進(jìn)口處流速的原因，進(jìn)口處壓力明顯比其他區(qū)域大很多，并且兩缸的壓力分布不是特別均勻。整體來說，這種壓力分布對于流體流動的分布是不利的，由不同壓力形成的壓差會影響流體的流動方向和流速，圖中明顯可以看出，由于壓力分布的原因，會使得流體流向下端排氣口區(qū)域較少，而排氣口又是高溫區(qū)域，因?yàn)樗谉o法較好地起到冷卻作用，需要將水套結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2 水套優(yōu)化及優(yōu)化后的性能分析

2.2.1 水套的優(yōu)化模型

圖7 水套壓力切片示意圖

從2.1 中CFD 的分析結(jié)果可以看出，此水套的原始模型雖然在一定程度上能夠帶走部分熱量，起到一定的冷卻作用，但是其冷卻效果并不是特別理想。為了改善其冷卻效果，根據(jù)水套不同區(qū)域的冷卻需求，通過在水套上設(shè)計相應(yīng)的隔套來引導(dǎo)水流的流向，使得水流盡可能多地流向需要重點(diǎn)冷卻的區(qū)域，而對于非重點(diǎn)冷卻區(qū)域可以使水流分布相對較少，從而保證水套各個部分都能夠在適宜的溫度中工作，圖8 給出了水套優(yōu)化后的幾何模型。由幾何模型可以看出通過設(shè)計水套隔板與原始水套模型配合形成新的水套模型，水套隔板可以對冷卻液進(jìn)行引流，使得冷卻液根據(jù)需要盡可能多得流向排氣口區(qū)域以及缸體上部。

2.2.2 水套優(yōu)化后的熱力學(xué)性能分析

圖8 水套優(yōu)化后的幾何模型

圖9 對比了優(yōu)化模型和原始模型的速度云圖。從圖9b）的速度云圖可以看出，優(yōu)化后的模型由于存在導(dǎo)流隔板的引流作用，使得整個速度云圖表現(xiàn)更合理，排氣口作為高溫區(qū)域得到很好的冷卻作用，相比于原始模型來說，流體的流速都呈現(xiàn)較高的水平，主要分布在1 m/s 以上，從而使得冷卻液在該區(qū)域起到很好的冷卻作用。

圖9 原始模型與優(yōu)化模型的速度云圖

這種現(xiàn)象的主要原因可以結(jié)合其速度流線圖進(jìn)行解釋（如圖10a）所示），由于隔板在缸體上的阻擋作用，使得冷卻液從進(jìn)口進(jìn)入后，幾乎全部從擋板下方流經(jīng)排氣口區(qū)域，然后從排氣口右邊向上進(jìn)入缸體上部以及缸蓋部分，因而冷卻液會在排氣口處形成較大的流速。另外，水套的缸蓋部分和缸體上部（上面1/3 區(qū)域）也是溫度較高的區(qū)域，因而這些地方也需要進(jìn)行很好的冷卻。由圖9b）可以看出流速在缸蓋及缸體上部整體會比原始模型（圖9a））大，對于優(yōu)化后的模型，在缸蓋的鼻梁區(qū)域上，液體的流速基本上都超過1 m/s，一些部分流速甚至達(dá)到1.5m/s，這是由于當(dāng)流體從排氣口的右邊向上流向缸體時，由于隔板的作用，缸體下面2/3 的部分被擋住，流體在向上的流動過程中只能是一部分直接流向缸蓋，另一部分在缸體上面1/3 的部分橫向流過，從而使得冷卻液能夠很好地冷卻到這些需要冷卻的位置。從流線圖的俯視圖（圖10b））可以清楚地看出，對于優(yōu)化后的模型來說，流速在兩缸上的分布相對比較均勻，鼻梁區(qū)的溫度基本上都能達(dá)到0.8m/s，就單一缸來說，流速的差異性也不是很大，這說明利用隔板引流的方式能夠很好地讓冷卻液在水套中更好地分布。

圖10 優(yōu)化模型的速度流線圖

圖11 給出了優(yōu)化后水套模型和原始模型的換熱系數(shù)對比圖，從圖中明顯可以看出，優(yōu)化后，排氣口區(qū)域和缸蓋鼻梁區(qū)這些高熱負(fù)荷區(qū)域的換熱系數(shù)與原始模型相比顯著提高，如排氣口區(qū)域，換熱系數(shù)基本上都在10 000 W/（m2·K）以上，相比原始模型，換熱能力提高了兩倍，能夠很好地滿足冷卻需求。缸蓋整體的換熱系數(shù)都能達(dá)到8 000 W/（m2·K），能夠滿足冷卻的需求。圖12 給出了水套模型各局部區(qū)域的平均換熱系數(shù)，從圖中可以看出各個區(qū)域的平均換熱系數(shù)都在6 000 W/（m2·K）以上，整體來說優(yōu)化后的水套能夠滿足發(fā)動機(jī)的冷卻需求。從兩缸的分布來看，優(yōu)化后的換熱系數(shù)分布較為均勻，有利于各缸均勻散熱，從而有利于各缸燃燒和做功的均勻性。這種現(xiàn)象主要是由于水套隔板的引流作用，使得流體在排氣口區(qū)域流動較快，然后自下而上流向缸體進(jìn)行分流，從而保證了整個缸體水套具有較好的冷卻性能。

圖11 換熱系數(shù)的對比示意圖

圖12 水套各局部區(qū)域的平均換熱系數(shù)

如圖13 所示，從壓力分布圖上可以看出，優(yōu)化后的水套模型的壓力分布更加合理。從圖中可以看出進(jìn)口處壓力最大，出口處壓力最小，由于水套隔板引導(dǎo)槽的引流作用，使得冷卻液的流動按照圖中箭頭的走向流動，從進(jìn)口依次流經(jīng)排氣口區(qū)域，然后到缸體，再到缸蓋，最終從出口流出。冷卻液從壓力大的地方向壓力小的地方流動，這種壓力分布使得冷卻液體流動非常具有單向串聯(lián)特性，不易出現(xiàn)流動死區(qū)以及旋渦等影響流動特性的現(xiàn)象。整體來說，優(yōu)化后的模型具有較好的壓力分布，使得冷卻液體更好地分布在水套各個區(qū)域，起到較好的冷卻作用。

圖13 優(yōu)化模型壓力分布圖

3 結(jié)論

通過Star CCM+對新型的兩缸發(fā)動機(jī)的水套建立了流體模型并根據(jù)仿真結(jié)果對其流速、換熱系數(shù)以及壓力進(jìn)行了詳細(xì)的分析，研究發(fā)現(xiàn)：由于兩缸發(fā)動機(jī)新型的結(jié)構(gòu)布局，其進(jìn)水口和排氣口在同一側(cè)，使得冷卻液無法很好地保證排氣口周圍與缸蓋部分同時達(dá)到較好的冷卻效果。為了改善水套冷卻性能，通過在水套上面添加隔板作為引流對原始水套模型進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的仿真分析表明：由于水套隔板的引流作用，使得冷卻液在水套中能夠更好地分布，并能夠同時滿足排氣側(cè)和缸蓋等高溫區(qū)域的冷卻需求，冷卻效果更加均勻。