某強(qiáng)化型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套CFD分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

熊思琴

摘要： 利用AVL-FIRE對(duì)483Z型柴油機(jī)水套冷卻情況進(jìn)行流體力學(xué)仿真分析，發(fā)現(xiàn)水套流場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)冷卻水流量分配不均勻缸體存在流動(dòng)死區(qū)，缸蓋溫度梯度大，部分水套腔體存在過冷沸騰。現(xiàn)設(shè)計(jì)一種混合式冷水水套，仿真結(jié)果表明：改進(jìn)后缸體水套內(nèi)的流動(dòng)死區(qū)基本消除，半切向進(jìn)水使得其中缸墊分水孔內(nèi)液體流速增加，新增的分水孔及其部分尺寸的變化增加了液體繞行缸體流動(dòng)能力，缸蓋水套內(nèi)過冷沸騰程度增加，水套的整體冷卻能力顯著增強(qiáng)。

Abstract： The water jacket cooling of 483Z diesel engine was simulated by USING AVL-Fire. The results of the water jacket flow field analysis showed that there was a flow dead zone in the cylinder with uneven cooling water flow distribution， a large temperature gradient in the cylinder head， and a part of the water jacket chamber had a supercooled boiling. A hybrid cold water jacket is designed. The simulation results show that： Improved flow dead zone within the cylinder block water jacket basically eliminated， half a tangential inlet water makes the liquid in the cylinder gasket points hole velocity increases， the addition of the dimension of hole and its parts increased the ability of fluid flow around cylinder， cylinder head water jacket in subcooled boiling degree increasing， the whole will markedly enhance its capability of the cooling water jacket.

關(guān)鍵詞： 冷卻水套設(shè)計(jì);分水孔;過冷沸騰

Key words： cooling water jacket design;points hole;subcooled boiling

中圖分類號(hào)：U262.11????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）21-0014-02

0? 引言

近年來隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度的增加，其缸蓋火力面除了直接與高溫燃?xì)饨佑|外，還隨著燃燒室內(nèi)溫度的瞬態(tài)變化承受著交變熱負(fù)荷[1]。研究表明[2]，水冷式發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋水套存在多種傳熱方式，缸蓋鼻梁區(qū)與其他位置間溫度梯度較大形成較大的熱流量，該區(qū)域更易于會(huì)出現(xiàn)過冷沸騰換熱，傳熱以沸騰傳熱為主，而在壁面溫度溫差較小，熱流量減弱，傳熱方式以對(duì)流為主。本文著眼于考慮多缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在最大輸出扭矩轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)缸蓋和缸體的合理冷卻，根據(jù)水套內(nèi)冷卻液流動(dòng)規(guī)律，在溫度允許上下限之間，設(shè)計(jì)一種多缸發(fā)動(dòng)機(jī)混合式冷水水套。

1? 柴油機(jī)冷卻水套模型

原冷卻水套模型（如圖1所示）出水口在兩側(cè)，在原有水套模型基礎(chǔ)上改進(jìn)水套入口為半切向進(jìn)水方式（如圖2所示），另新增三個(gè)缸間小分水孔，2、3缸排氣側(cè)水孔尺寸減小、1、4缸進(jìn)氣側(cè)水孔尺寸減小，出水口在2、3缸處。

2? 兩相流模型的數(shù)學(xué)描述

歐拉雙流體模型是目前最能描述實(shí)際兩相流動(dòng)的模型，尤其在于沸騰流動(dòng)換熱方面[3]，關(guān)于其質(zhì)量、動(dòng)量和能量方程如下式：

液相和氣相的動(dòng)量守恒方程：液相和氣相的能量守恒方程：加熱壁面沸騰傳熱模型：

Rohsenow擬合測(cè)試數(shù)據(jù)后得到了一個(gè)適用用于計(jì)算沸騰表面熱流量方程：

3? 仿真計(jì)算

3.1 冷卻液的物理屬性

計(jì)算介質(zhì)選擇純水，其物理屬性如下：密度：1000kg/m3;粘度：1.01×10-3Pa·s;比熱容：4.2×103J/（kg·℃）;導(dǎo)熱率：0.59W/（m·K）。

3.2 計(jì)算模型邊界條件及方法

發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大輸出轉(zhuǎn)矩315N·m時(shí)轉(zhuǎn)速為1400-2400r/min，進(jìn)口的流速3.0kg/s，冷卻液進(jìn)水口溫度358K，環(huán)境溫度293K，大氣壓強(qiáng)101.325kPa，濕度83%，出口條件（outflow）認(rèn)為冷卻水在缸蓋出口處是充分發(fā)展的流動(dòng)。在模擬計(jì)算過程中認(rèn)為冷卻液在機(jī)體、缸蓋冷卻水通道中的流動(dòng)是絕熱、不可壓縮的粘性湍流流動(dòng)，采用Realizable k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，近壁面區(qū)域應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，采用Simple算法，設(shè)定殘差小于10-4。

4? 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 水套速度場(chǎng)結(jié)果分析

圖3冷卻水套速度場(chǎng)分布流線圖，a與b分別為原方案和改進(jìn)方案冷卻水套內(nèi)部整體速度場(chǎng)分布情況，通過對(duì)比可看出原方案圓口入水口較半切向入水方式流速較低。原1缸側(cè)分流較多液體，3缸缸體水套進(jìn)氣側(cè)液體流速驟減，2、3缸缸蓋水套進(jìn)氣側(cè)均出現(xiàn)流量少的問題，兩缸缸蓋間出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)，這是因?yàn)閮晒蓜?dòng)能大致相當(dāng)?shù)囊后w在該位置出現(xiàn)撞擊，且出水口位于兩側(cè)。改中半切向入水口流速提高，基本均分流向兩側(cè)1缸、4缸的冷卻水，2、3缸缸墊分水孔尺寸減小的設(shè)計(jì)增加了繞行缸體流向1、4缸的冷卻水，并引入水套上部1、4缸缸蓋排氣側(cè)高溫區(qū);而進(jìn)氣側(cè)1、4缸缸蓋分水孔尺寸減小，增加流向同側(cè)2、3缸的液體量，同時(shí)新增的三個(gè)小分水孔進(jìn)一步增加繞行相鄰兩缸間狹壁處流量，出水口位置在2、3缸，消除了2、3缸相交處缸蓋水套的流動(dòng)死區(qū)問題。從水套入口到出口的冷卻液流動(dòng)過程中沒有出現(xiàn)任何斷流的現(xiàn)象，分水孔內(nèi)最高流速可達(dá)到2.51m/s，較原方案提高了0.7m/s。

4.2 水套溫度場(chǎng)結(jié)果分析

圖4缸蓋冷卻水套壁面溫度場(chǎng)為原方案a和改進(jìn)方案b缸蓋水套壁面各位置溫度情況，發(fā)動(dòng)機(jī)在最大扭矩點(diǎn)工況下缸蓋溫度最高，從溫度云圖上看到受高溫的排放氣體影響排氣側(cè)溫度均高于進(jìn)氣側(cè)，其中排排鼻梁區(qū)處的溫度最高。原方案第4缸缸蓋溫度最高561.6K，第2缸缸蓋最高溫最低544K，兩者相差17.6K，第3缸最高溫比第2缸僅高4K，流入第3缸缸蓋冷卻水溫度較第2缸高，卻減小了冷卻水的過冷度，在鼻梁區(qū)過冷沸騰程度增加，到達(dá)第4缸缸蓋冷卻水溫度繼續(xù)增加且來缸蓋窄壁冷卻水進(jìn)入完全沸騰過程，沸騰的氣泡增加了鼻梁區(qū)等腔體的冷卻水流動(dòng)阻力，溫度增加程度大幅增加。缸蓋進(jìn)氣側(cè)溫度差異同樣較大，流動(dòng)死區(qū)影響2、3缸進(jìn)氣側(cè)溫度，3缸受死區(qū)影響最大。觀察改進(jìn)方案的云圖可看到各缸蓋進(jìn)排側(cè)最高溫差異程度適量減輕，第4缸缸蓋最高溫550K比第2缸539.8K高出10.2K，第1缸與第4缸、第2缸與第3缸溫度分布大致相當(dāng)，整個(gè)缸蓋溫度梯度相對(duì)較小，利用提高冷卻液流速增強(qiáng)對(duì)第2、3缸換熱程度，利用較多的冷卻液增強(qiáng)對(duì)1、4缸的換熱，第2、3缸平均溫度低于第1、4缸，過冷沸騰在2、3缸相對(duì)1、4缸的排排區(qū)域水套腔內(nèi)發(fā)生程度更高，發(fā)揮了更好的換熱作用。

5? 結(jié)論

①通過設(shè)置切向入口方式、調(diào)整缸墊分水孔尺寸、出水口位置及新增分水孔的手段，實(shí)現(xiàn)了混合式冷卻水套方案，分水孔尺寸減小卻提高液體進(jìn)入缸蓋速度，提高流體整體平均動(dòng)能;新增小分水孔消除2、3缸蓋流動(dòng)死區(qū)同時(shí)增加繞行相鄰兩缸間的流量;較多冷卻液均分并流向兩側(cè)氣缸，并繞行至缸體進(jìn)氣側(cè)，由于分水孔尺寸減小阻力增加，較多繞行液體流向2、3缸進(jìn)氣側(cè)并進(jìn)入缸蓋水套再流出，可使該水套呈現(xiàn)出混合式冷卻效果。

②改進(jìn)方案中2、3缸缸蓋水套窄腔內(nèi)冷卻水量減少但流速相對(duì)提高，為過冷沸騰氣泡脫離壁面增加了湍動(dòng)能，因此減少流量的情況下鼻梁區(qū)溫度不增反減，1、4缸冷卻水流動(dòng)路徑增加了液體溫度減小了過冷度，缸蓋水套內(nèi)過冷沸騰程度較原方案提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造（上冊(cè)）[M].北京人民交通出版，2002：240.

[2]王兆文.重載車用柴油機(jī)缸蓋內(nèi)冷卻水流動(dòng)分析及強(qiáng)化傳熱研究[D].華中科技大學(xué)，2008.

[3]谷芳，吳華杰，崔國(guó)起.基VOF兩相流的缸蓋過冷沸騰模型及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)報(bào)，2014（4）：372-376.