基于STAR-CCM+的雙節(jié)溫器總成流阻特性數(shù)值模擬

王鳳娟，李雷，曾超，付春雨，劉文濤，薛厚慶

（1.261061 山東省 濰坊市 內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.261061 山東省 濰坊市 濰柴動(dòng)力股份有限公司）

0 引言

節(jié)溫器是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，通過(guò)對(duì)其閥片開度的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)大循環(huán)與小循環(huán)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，對(duì)于整車?yán)鋮s循環(huán)具有重要意義[1-2]。目前，為加大冷卻液流動(dòng)面積、強(qiáng)化冷卻效果、增強(qiáng)節(jié)溫器工作可靠性，越來(lái)越多的大排量柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)采用雙節(jié)溫器配置。其中，雙節(jié)溫器流阻特性的準(zhǔn)確性直接影響整車?yán)鋮s系統(tǒng)流量和壓力分布[3-4]。劉吉林等[5]以冷卻系統(tǒng)一維計(jì)算的流量結(jié)果為邊界，進(jìn)行節(jié)溫器三維壓力場(chǎng)分析，獲得了節(jié)溫器主閥壓力值；譚禮斌等[6]通過(guò)研究不同節(jié)溫器狀態(tài)對(duì)散熱器整體流動(dòng)阻力的影響，獲得了節(jié)溫器不同小循環(huán)管路內(nèi)徑值與流動(dòng)阻力間的變化關(guān)系，依據(jù)流場(chǎng)分析結(jié)果為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供支持；趙前進(jìn)[7]、孔祥健等[8]采用一維和三維聯(lián)合分析模擬調(diào)溫器總成的壓力場(chǎng)和流動(dòng)分布，為調(diào)溫器主副閥彈簧力選擇及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。上述文獻(xiàn)主要以單節(jié)溫器為研究對(duì)象，未涉及雙節(jié)溫器總成的仿真分析。而在對(duì)雙節(jié)溫器配置的整車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行流量和壓力仿真時(shí)，發(fā)現(xiàn)供方所提供的雙節(jié)溫器流阻特性是通過(guò)把單個(gè)節(jié)溫器安裝在工裝上測(cè)試獲取的。但雙節(jié)溫器總成中2 個(gè)節(jié)溫器布置存在差異，流量分配不均勻，且內(nèi)部介質(zhì)存在較大的流動(dòng)速度變化，導(dǎo)致雙節(jié)溫器總成阻力要比供方提供的單個(gè)節(jié)溫器阻力大。

本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)雙節(jié)溫器總成為研究對(duì)象，通過(guò)三維CFD 數(shù)值模擬獲得其流阻特性，以此為仿真輸入，進(jìn)行整車?yán)鋮s系統(tǒng)一維計(jì)算，以獲取各水冷部件在額定工況下的流量分配與節(jié)點(diǎn)壓力分布。通過(guò)對(duì)雙節(jié)溫器總成樣件進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，獲取其試驗(yàn)流阻特性，驗(yàn)證流阻特性仿真的精確度；對(duì)實(shí)車進(jìn)行系統(tǒng)壓力測(cè)試，以對(duì)標(biāo)冷卻系統(tǒng)一維計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證一維仿真方法的準(zhǔn)確性。

1 雙節(jié)溫器總成流阻特性分析

1.1 模型建立及邊界定義

以某發(fā)動(dòng)機(jī)雙節(jié)溫器總成為例，其處于全開狀態(tài)下的三維模型（含節(jié)溫器蓋與部分出水管）如圖1 所示。提取雙節(jié)溫器內(nèi)部流道進(jìn)行流阻特性仿真，生成的過(guò)流壁面CFD 模型和局部體網(wǎng)格剖視圖如圖2 所示。

圖1 雙節(jié)溫器總成三維模型Fig.1 3D model of dual thermostat assembly

圖2 流場(chǎng)仿真模型Fig.2 Flow field simulation model

計(jì)算時(shí)，選定流體為50%的冷卻液，即水和乙二醇的比例為1∶1；介質(zhì)參數(shù)為90 ℃下冷卻液的密度及動(dòng)力粘度。計(jì)算模型采用k-ε湍流模型；入口采用垂直于入口截面的流速入口，出口采用壓力出口邊界。

1.2 流阻特性計(jì)算

分別對(duì)多組不同進(jìn)口流量下的仿真模型進(jìn)行CFD 流場(chǎng)仿真分析，通過(guò)進(jìn)、出口所在截面的壓力均值計(jì)算各流量下的雙節(jié)溫器總成進(jìn)、出口總壓壓降ΔP，結(jié)果如表1 所示。

表1 流阻仿真結(jié)果Tab.1 Simulation results of flow resistance

以600 L/min 流量下的雙節(jié)溫器總成流場(chǎng)仿真為例，其速度云圖（以雙節(jié)溫器體所在中心面為視圖剖面）及速度流線圖分別如圖3、圖4 所示，可知冷卻液在2 個(gè)節(jié)溫器間的流動(dòng)是不一致的，且在節(jié)溫器內(nèi)部小間隙處流動(dòng)時(shí)存在較大的流速梯度變化。節(jié)溫器總成壓力云圖如圖5 所示，可見(jiàn)內(nèi)部流通截面急劇變化的流域壓力分布不均勻，并產(chǎn)生較大的壓力損失。

圖3 速度云圖Fig.3 Velocity nephogram

圖4 速度流線圖Fig.4 Velocity flow diagram

圖5 壓力云圖Fig.5 Stress nephogram

2 冷卻系統(tǒng)一維計(jì)算

2.1 搭建計(jì)算模型

額定張力狀態(tài)下，F(xiàn)EAD 系統(tǒng)的皮帶長(zhǎng)度即為有效長(zhǎng)度1 795.3 mm，自動(dòng)張緊器在名義位置處提供的張緊力矩為48.8 N·m。

基于整車?yán)鋮s系統(tǒng)布置，搭建水泵、機(jī)體及缸蓋水套、節(jié)溫器、油冷器、散熱器等主要用水部件及其連接管路模型[9]，冷卻系統(tǒng)一維模型如圖6所示。

圖6 冷卻系統(tǒng)一維模型Fig.6 1D-model of cooling system

2.2 一維計(jì)算參數(shù)設(shè)置及結(jié)果

在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 950 r/min下，水泵、油冷器、散熱器的特性參數(shù)依據(jù)各供方提供的輸入?yún)?shù)進(jìn)行設(shè)定[10]；節(jié)溫器流阻特性曲線采用CFD 仿真值；機(jī)體及缸蓋水套的流阻特性按照式（1）計(jì)算的阻力損失系數(shù)[11]進(jìn)行設(shè)置

式中：ΔP——壓力損失，Pa；K——阻力損失系數(shù)；ρ——冷卻液密度，kg/m3；Qv——體積流量，m3/s；A——橫截面積，m2。

根據(jù)仿真結(jié)果，額定工況下的冷卻系統(tǒng)一維流量分布如圖7 所示，各節(jié)點(diǎn)壓力分布如圖8 所示。

圖7 各部件流量分布Fig.7 Flow distribution of each component

圖8 各節(jié)點(diǎn)壓力分布Fig.8 Pressure distribution at each node

3 流阻特性及水側(cè)壓力測(cè)試

對(duì)節(jié)溫器進(jìn)行流阻特性臺(tái)架測(cè)試，驗(yàn)證總成件的CFD 仿真方法可靠性；基于實(shí)際整車進(jìn)行水側(cè)壓力測(cè)試，校驗(yàn)一維仿真方法的準(zhǔn)確性。

3.1 流阻特性試驗(yàn)

流阻特性試驗(yàn)原理及工裝示意圖分別如圖9、圖10 所示。出水管進(jìn)口及節(jié)溫器蓋出口位置分別連接測(cè)試裝置的進(jìn)、出水軟管；傳感器采用GE 德魯克壓力傳感器，上、下游測(cè)點(diǎn)分別位于流阻仿真模型的進(jìn)、出口所在截面位置。

圖9 流阻特性試驗(yàn)原理圖Fig.9 Schematic diagram of flow resistance characteristic test

圖10 工裝示意圖Fig.10 Schematic diagram of tooling

試驗(yàn)完成后，提取雙節(jié)溫器總成流阻實(shí)測(cè)結(jié)果，并與CFD 仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖11 所示。由圖11 可知，各流量下的雙節(jié)溫器總成仿真流阻與實(shí)測(cè)值均比較接近，流阻特性曲線吻合性較好，最大偏差僅為8.4%，有效驗(yàn)證了雙節(jié)溫器總成流阻仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖11 仿真與實(shí)測(cè)流阻特性對(duì)比曲線Fig.11 Comparison curves of flow resistance characteristics between simulation and test

3.2 水側(cè)壓力測(cè)試

水側(cè)壓力測(cè)試中各測(cè)點(diǎn)布置如圖12 所示。

圖12 壓力傳感器測(cè)點(diǎn)位置Fig.12 Testing position of pressure sensor

整車滿油門工作，使水溫升高至節(jié)溫器初開隨后至節(jié)溫器全開狀態(tài)，穩(wěn)定后取各測(cè)點(diǎn)壓力值，并與一維仿真的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)壓力進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 各測(cè)點(diǎn)位置壓力數(shù)值Tab.2 Pressure value of each testing position

由表2 可知，各測(cè)點(diǎn)壓力仿真值與測(cè)試值基本吻合，最大偏差值為3.8%，驗(yàn)證了冷卻系統(tǒng)一維仿真方法的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步印證了所建立的雙節(jié)溫器流阻特性仿真模型是精確可靠的。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）利用STAR-CCM+軟件進(jìn)行雙節(jié)溫器總成CFD 仿真，可獲取部件流阻特性，并作為冷卻系統(tǒng)一維計(jì)算的輸入?yún)?shù)，進(jìn)行整車?yán)鋮s系統(tǒng)流量與壓力匹配計(jì)算。

（2）基于一維與三維聯(lián)合仿真計(jì)算，獲取整車?yán)鋮s系統(tǒng)部件水流量與節(jié)點(diǎn)壓力，指導(dǎo)水冷部件的選型匹配，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，助力各細(xì)分行業(yè)的精準(zhǔn)配套。

（3）通過(guò)雙節(jié)溫器總成流阻特性試驗(yàn)及整車水側(cè)壓力測(cè)試，驗(yàn)證了三維CFD 仿真及冷卻系統(tǒng)一維仿真建模方法的準(zhǔn)確性，同時(shí)該方法對(duì)于其他過(guò)流部件的降阻設(shè)計(jì)與優(yōu)選適配具有借鑒意義。