發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)數(shù)值模擬分析及優(yōu)化研究

譚禮斌,袁越錦

(陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,陜西,西安 710021)

冷卻系統(tǒng)作為發(fā)動機(jī)核心系統(tǒng)之一,主要功能是實現(xiàn)發(fā)動機(jī)在適宜溫度區(qū)間內(nèi)工作,避免冷卻不足造成發(fā)動機(jī)過熱現(xiàn)象[1]。冷卻系統(tǒng)的研究方法主要包括試驗研究、一維三維聯(lián)合仿真方法、流固耦合方法等[2-3],試驗分析方法主要以“對癥下藥”的方式解決冷卻系統(tǒng)發(fā)生的問題,缺少對改進(jìn)方案的定性評估[4]。一維三維聯(lián)合仿真方法及流固耦合方法等屬于基于“虛擬開發(fā)”平臺化的數(shù)值預(yù)測方法,可通過計算機(jī)仿真軟件實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)性能的評估及針對性優(yōu)化設(shè)計,較大縮短研發(fā)周期和減少實驗的反復(fù),所以在發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[5-7],朱福堂等[8]采用一維仿真軟件AMEsim搭建了PHEV發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真模型,通過系統(tǒng)優(yōu)化實現(xiàn)了系統(tǒng)阻力降低和水泵功耗下降;林鳳場[9]采用一維三維聯(lián)合仿真對客車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了分析,與冷卻系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)對比分析,驗證了仿真分析方法的可靠性;雷良新等[10]針對發(fā)動機(jī)高溫長時間爬坡工況下出現(xiàn)“開鍋”現(xiàn)象進(jìn)行了分析,通過調(diào)整散熱器結(jié)構(gòu)及節(jié)溫器參數(shù)解決了溫度過高的問題?？梢?基于計算機(jī)仿真的虛擬開發(fā)方法可快速對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行評估及針對性地優(yōu)化,快速應(yīng)對產(chǎn)品問題和加速新產(chǎn)品研發(fā)[11-12]。

隨著摩托車輕量化、小型化的發(fā)展,增大了最大爆發(fā)壓力及升功率,使熱負(fù)荷問題更突出,所以為了保證發(fā)動機(jī)工作性能及穩(wěn)定性,研究其冷卻系統(tǒng)散熱性能及流動均勻性很重要。因此,本文以某四缸發(fā)動機(jī)為研究對象,采用CFD方法對其冷卻系統(tǒng)散熱性能及冷卻液流速均勻性進(jìn)行評估及優(yōu)化,旨在提升該四缸發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱性能,并為發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐及理論指導(dǎo)。

1 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的物理模型搭建

四缸發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)布局及冷卻液流動路徑如圖1。冷卻液從缸頭水套流入,部分冷卻液通過缸孔流向缸體水套,用于冷卻缸體;部分冷卻液則流向缸頭水套,用于冷卻缸頭排氣側(cè)及排氣鼻梁區(qū)等高溫區(qū)域;最終兩者在缸體水套出口匯合后分為兩個流動路徑:一個為流向散熱器的流動路徑,一個為流向油水交換器的流動路徑,最后匯集流進(jìn)水泵入口。為保證缸體水套和缸頭水套冷卻均勻性,流入缸體水套和流入缸頭水套的冷卻液流量占比控制為50%:50%。該四缸發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)網(wǎng)格模型如圖2,網(wǎng)格數(shù)量為600 萬個。

圖1 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)布局及其流動路徑

圖2 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)網(wǎng)格模型

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用STAR-CCM+中的k-ε湍流模型進(jìn)行該四缸機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻液流動的數(shù)值模擬,模擬中假設(shè)冷卻液為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動狀態(tài),且不考慮溫度,因此,該四缸冷卻系統(tǒng)數(shù)值模擬時涉及的數(shù)學(xué)模型方程為連續(xù)性方程、動量方程和k-ε湍流模型方程[13]。

2.2 邊界條件

冷卻液為乙二醇和水各50%的混合溶液,溫度為95 ℃,密度為1 026.89 kg/m3,動力粘度為7.6 ×10-4Pa·s。四缸機(jī)冷卻系統(tǒng)阻力計算時,散熱器及油水交換器處理為多孔介質(zhì)。散熱器慣性阻力系數(shù)Pi和黏性阻力系數(shù)Pv分別為56 776 kg/m4、71 995 kg/(m3·s);油水交換器的慣性阻力系數(shù)Pi和黏性阻力系數(shù)Pv分別為102 481 kg/m4、59 053 kg/(m3·s)。水套流阻特性計算時,水套入口流量設(shè)置為100、80、60、40、20 L/min 5個工況點;水套出口設(shè)置為壓力出口邊界,出口壓力為0。壁面采用STAR-CCM+軟件中Two-layer All y+ Wall Treatment函數(shù)處理,采用無滑移壁面條件。

該四缸發(fā)動機(jī)冷卻水泵性能實驗測試按照國家標(biāo)準(zhǔn)QCT 288.1—2001《汽車發(fā)動機(jī)冷卻水泵試驗方法》進(jìn)行,獲取該水泵性能[14],并為冷卻水泵CFD模型提供邊界條件及實驗驗證數(shù)據(jù)。圖3為該發(fā)動機(jī)冷卻水泵實驗測試裝置,圖4為溫度95 ℃時冷卻水泵在不同發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下的流量-揚程曲線;測量發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速3 000～12 000 r/min的水泵性能;發(fā)動機(jī)與水泵間的傳動比為1.758。

圖4 冷卻水泵流量-揚程曲線

3 計算結(jié)果及分析

3.1 冷卻系統(tǒng)一維仿真及系統(tǒng)流量的確定

圖5為采用一維分析軟件GT Suite的Cooling模塊搭建的四缸發(fā)動機(jī)一維冷卻系統(tǒng)分析模型,該模型包括水泵、水套、節(jié)溫器、散熱器、油水交換器及其連接管路,模型中節(jié)溫器流阻、散熱器流阻、油水交換器流阻參數(shù)皆為實測值,水套流阻為不同流量的仿真值,水泵性能為水泵初定方案的性能實測值。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為10 000 r/min(發(fā)動機(jī)最大功率點)時,計算出現(xiàn)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案下系統(tǒng)流量約為75 L/min。

圖5 四缸發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)一維分析模型

3.2 冷卻系統(tǒng)三維仿真模型驗證

冷卻系統(tǒng)3D分析中水套進(jìn)水流量為75 L/min,水套出水壓力為0,冷卻系統(tǒng)3D仿真與實測對比結(jié)果(圖6)顯示:油水交換器流量為20 L/min,流量分配占比為26%,流阻仿真值為18.5 kPa,實測值為19.2 kPa,誤差為3.6%。散熱器流量為55 L/min,流量分配占比為74%,流阻仿真值為17.5 kPa,實測值為16.5 kPa,誤差為6.1%。以上實測值與仿真值誤差都小于10%,表明構(gòu)建的冷卻系統(tǒng)三維仿真模型是可靠的。

圖6 冷卻系統(tǒng)3D仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比

3.3 冷卻水套冷卻液流速分布

冷卻水套截面示意圖(圖7)和冷卻水套各截面冷卻液流速分布云圖(圖8)顯示:缸體水套排氣側(cè)上部分冷卻液流速較低,且部分區(qū)域冷卻液流速低于0.5 m/s。缸頭水套下鼻梁區(qū)冷卻液流速分布較好,且流速基本為1.5 m/s,而缸頭水套上鼻梁區(qū)冷卻液流速分布存在不均勻現(xiàn)象且流速較低,低于高溫區(qū)域冷卻液流速1.5 m/s的冷卻設(shè)計要求[15]。

圖7 冷卻水套內(nèi)部截面

圖8 水套內(nèi)各截面冷卻液流速分布云圖

3.4 冷卻系統(tǒng)流量的提升方案

在原冷卻系統(tǒng)工作流量點(75 L/min)下缸頭水套上鼻梁區(qū)域冷卻液流速為1～1.5 m/s,取1.25 m/s中間流速作為上鼻梁區(qū)流速平均值,流速從1.25 m/s增加至1.5 m/s(增加20%),流量至少也需增加20%(達(dá)到90 L/min)?？梢酝ㄟ^降低系統(tǒng)阻力、提升泵性能的方式提升冷卻系統(tǒng)工作流量。首先,為優(yōu)化水泵性能,采用CFD方法對水泵初始方案進(jìn)行性能評估,并與實測值進(jìn)行對比,驗證水泵性能CFD仿真模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上開展水泵性能優(yōu)化研究,以提升水泵性能。圖9為該發(fā)動機(jī)冷卻水泵網(wǎng)格模型。網(wǎng)格模型采用多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格技術(shù)劃分獲得。網(wǎng)格尺寸為1 mm,邊界層層數(shù)為5層,邊界層厚度為0.4 mm。網(wǎng)格劃分完成后的網(wǎng)格數(shù)量為150 萬。葉輪的旋轉(zhuǎn)通過旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系法(Moving Reference Frame, MRF)實現(xiàn)。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速10 000 r/min時水泵葉輪轉(zhuǎn)速為5 688 r/min (傳動比1.758)。流體域入口及出口邊界采用場函數(shù)(Field Function)進(jìn)行設(shè)置,實現(xiàn)不同工況下水泵性能計算,具體的邊界條件設(shè)置如表1。

圖9 冷卻水泵網(wǎng)格模型圖

表1 冷卻水泵邊界條件設(shè)置

冷卻水泵性能參數(shù)CFD仿真值與實驗值對比曲線(圖10)顯示:揚程、效率及軸功率參數(shù)的CFD仿真值與實測值變化趨勢基本一致,兩者間最大誤差分別為5.2%、9.3%、8.5%。CFD仿真的效率值都高于實測效率值,原因是CFD仿真中僅考慮的是水力效率,未考慮機(jī)械損耗,從而導(dǎo)致計算效率比實際情況大。

圖10 冷卻水泵性能參數(shù)CFD仿真值與實驗值對比曲線

優(yōu)化水泵性能時,依據(jù)空間布置約束,葉輪高度可增加4.5 mm(從18 mm增至22.5 mm),葉片寬度可增加3 mm(從6.5 mm增至9.5 mm)。采用相同的網(wǎng)格策略進(jìn)行了CFD性能預(yù)測,并做樣件進(jìn)行了實驗驗證。制作的樣件實物圖及實測的的優(yōu)化葉輪狀態(tài)流量-揚程曲線對比圖(圖11)顯示:揚程仿真值與實測值變化趨勢一致,兩者間的最大誤差約為6%。葉輪原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)的流量-揚程曲線對比結(jié)果(圖12)顯示:葉輪優(yōu)化后,水泵揚程得到了明顯提升,揚程最大提升了37%。

圖11 優(yōu)化葉輪性能實驗驗證

圖12 葉輪原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)的流量-揚程曲線對比

圖13為發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)阻力計算模型。該發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)初始布局的連接管路尺寸參數(shù)為:水泵出水管路內(nèi)徑19 mm,散熱器進(jìn)水管、出水管內(nèi)徑22 mm,油水交換器進(jìn)水管、出水管內(nèi)徑11 mm。為降低系統(tǒng)阻力,各管路直徑增大2 mm。計算時散熱器、油水交換器與水泵間的流動通過邊界交互實現(xiàn),即圖13中邊界1(BC1)和邊界2(BC2)的壓力出口邊界值來源于邊界3(BC3)和邊界4(BC4)的壓力監(jiān)測值;邊界BC3和邊界BC4的質(zhì)量流量邊界值來源于邊界BC1和邊界BC2的質(zhì)量流量監(jiān)測值。

圖13 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)阻力計算模型

通過計算100、80、60、40、20 L/min 5個流量工況點的進(jìn)出口壓差,即可獲得冷卻系統(tǒng)的阻力特性曲線。

冷卻水泵工作流量點特性曲線(發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速10 000 r/min)(圖14)顯示:管路直徑增大2 mm后,系統(tǒng)阻力降低明顯,阻力最大可降低10%。系統(tǒng)阻力降低和水泵性能提升后冷卻系統(tǒng)匹配的工作流量約90 L/min,較優(yōu)化前的工作流量點75 L/min提升15 L/min,增幅為20%,滿足冷卻系統(tǒng)流量提升需求。

圖14 冷卻水泵工作流量點特性曲線

3.5 冷卻水套內(nèi)部流動均勻性分析

冷卻系統(tǒng)流量90 L/min時冷卻水套內(nèi)部冷卻液流動速度云圖(圖15)顯示:缸體水套排氣側(cè)上部區(qū)域存在冷卻液流速較低的區(qū)域,不利于該處區(qū)域的冷卻。4個缸上鼻梁區(qū)冷卻液流動存在不均勻現(xiàn)象,1缸和4缸上鼻梁區(qū)流速基本在1.5 m/s,2缸和3缸上鼻梁區(qū)流速略低于1.5 m/s。因此,需要對冷卻水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部優(yōu)化,以改善冷卻水套內(nèi)部流動均勻性。

圖16為冷卻水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案示意圖,改動目的是提升每缸鼻梁區(qū)流動均勻性,且確保缸頭和缸體高溫區(qū)域的高效冷卻;圖17為冷卻水套優(yōu)化結(jié)構(gòu)截面速度云圖?？梢?缸體水套排氣側(cè)上部區(qū)域大部分都已滿足冷卻液流速1.5 m/s的冷卻設(shè)計要求;調(diào)整流向缸頭鼻梁區(qū)流動路徑的流通面積后,缸頭上鼻梁區(qū)冷卻液流速都滿足速度大于1.5 m/s的冷卻設(shè)計要求。

圖16 冷卻水套改動點示意圖

圖17 冷卻水套優(yōu)化結(jié)構(gòu)截面速度云圖

圖18為冷卻水套鼻梁區(qū)流通截面示意圖及其截面流量分配比例對比曲線,可見:冷卻水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各截面流量分配比例間的差異減小,且不存在原結(jié)構(gòu)截面5流量分配比例低于5%的現(xiàn)象。冷卻水套優(yōu)化后截面6流量分配比例最大,為17.8%, 截面5流量分配比例最小,為10%;優(yōu)化前截面6流量分配比例最大,為16.8%,截面5流量分配比例最小,為5%。采用(最大流量-最小流量)/平均流量來量化對比可得,優(yōu)化前、后該值分別為0.944、0.624,可知優(yōu)化后截面最大流量與截面最小流量間差異明顯減少,表明流動均勻性明顯提升。

圖18 冷卻水套鼻梁區(qū)流通截面及截面流量分配比例對比

4 結(jié)論

四缸發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)初始流量75 L/min下冷卻水套流速較低且分布不均勻,缸頭水套上鼻梁區(qū)域流速低于1.5 m/s。對冷卻系統(tǒng)阻力和水泵性能進(jìn)行評估及優(yōu)化后冷卻系統(tǒng)流量在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速10 000 r/min時為90 L/min,提升了15 L/min,提升比例為20%。對冷卻水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)后,流量90 L/min工況下缸體水套排氣側(cè)及缸頭水套鼻梁區(qū)冷卻液流速滿足1.5 m/s的冷卻液流速設(shè)計要求,各缸流動均勻性明顯改善。