楊肖，王宏大

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

某型柴油機冷卻系統仿真分析

楊肖，王宏大

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

利用一維、三維聯合仿真方法對某型柴油機冷卻系統進行仿真分析。首先對發(fā)動機水套進行CFD分析，通過CFD分析獲得水套內部冷卻液流動阻尼，然后以CFD結果為邊界條件進行發(fā)動機冷卻系統分析，對發(fā)動機冷卻系統的布置方案進行評估。

冷卻系統；CFD分析；阻尼

0 引言

文中利用三維分析軟件Fire對發(fā)動機水套進行CFD分析，通過CFD分析可以得出不同流量下水套內部各部分的冷卻液流動阻力；利用一維分析軟件Flowmaster建立匹配該柴油機的冷卻系統，以三維分析結果為輸入邊界，得出匹配該發(fā)動機的冷卻系統冷卻液流量分配結果；通過對計算結果的分析評估，選擇發(fā)動機冷卻系統設計布置方案。

1 發(fā)動機水套流阻計算

發(fā)動機冷卻水套流動阻力分析主要目的就是通過設置冷卻液的不同流量對發(fā)動機內部冷卻液的流場進行模擬分析，然后將水套的進口與各冷卻液出口進行壓力比較，得出水套內部不同支路的冷卻液流動阻力，為一維冷卻系統分析提供輸入邊界。

1.1 水套模型及網格劃分

所涉及水套設計有1個冷卻液進口，4個冷卻液出口，包含：油冷器冷卻液出口、EGR冷卻器出口、暖風冷卻液出口和散熱器冷卻液出口。其中油冷器和EGR冷卻器出口在缸體水套上，暖風和散熱器出口在缸蓋水套，該發(fā)動機水套模型如圖1所示。

通過前處理軟件Hypermesh對處理好的幾何模型進行面網格的劃分，然后將面網格以Stl格式導入到AVL Fire軟件中，并對水套進行流體網格的劃分。缸蓋水套主體區(qū)域網格尺寸為1 mm，鼻梁區(qū)、缸蓋水套上水口面及某些狹小區(qū)域網格尺寸為0.5 mm，處理好的流體網格總數為1 527 653，水套網格模型如圖2所示。

1.2 CFD分析邊界條件

此節(jié)計算分析主要目的：通過模擬分析得出水套內部冷卻液的流動阻力。在此次分析中，水套的進口和出口分別設為流量邊界。共進行5種工況分析，具體邊界條件如表1所示。

那天晚上，溫衡住在陶小西家的客房里，許久都睡不著，她跑去陶小西的房間，看著他沉睡的臉，心里生出一絲難過，也許她跟陶小西再也回不到小時候了。

表1 水套進出口流量邊界 L·min-1

發(fā)動機水套所用的冷卻液為50%水和50%乙二醇的混合液，計算中主要關注冷卻液的黏性、導熱率、比熱和密度。文中分析中選取冷卻液溫度為95 ℃時的物性，具體如表2所示。

表2 冷卻液物理特性

1.3 CFD分析結果

經過5次分析得出水套進出口的壓力，分別用進口面壓力減去各出口面壓力得出不同流量下對應的壓力損失。根據水套的設計共4組壓力損失數據，分別為散熱器支路、暖風支路、油冷器支路和EGR支路，如圖3所示。

圖4為水套流量180 L/min時，水套的壓力分布示意圖。

發(fā)動機水套CFD分析結果顯示：暖風支路的冷卻液流阻最大，EGR支路次之，油冷器支路和散熱器支路冷卻液流阻較小，這也符合散熱器作為整車冷卻器需要較大冷卻液流量的需求。

2 冷卻系統仿真分析

2.1 計算模型

冷卻系統分析首先需要依據冷卻系統設計方案確定冷卻系統的走勢及部件需求，圖5為文中需要分析的冷卻系統原理圖，可以看出：機油冷卻器和EGR冷卻器并聯從發(fā)動機缸體取冷卻液，機油冷卻器回水至水泵前，而EGR冷卻器回水至暖風前；散熱器和暖風并聯從缸蓋取冷卻液，分別回水至水泵前。

依據圖5所示冷卻系統布置方案，結合冷卻系統管路三維模型、冷卻部件性能完成冷卻系統模型建立，如圖6所示。

從圖6可以看出：冷卻系統包含了發(fā)動機組件、暖風、散熱器、油冷器和EGR支路，分析中不涉及換熱分析，因此各冷卻部件均以阻尼元件替代。

2.2 邊界條件

文中計算中冷卻液為50%水和50%乙二醇的混合液，計算過程僅分析發(fā)動機額定轉速節(jié)溫器全開狀態(tài)，計算邊界中主要包括4大部分：發(fā)動機水套阻尼；冷卻部件阻尼(如圖7所示)；發(fā)動機水泵性能(如圖8所示)；管路阻尼。

管路設置，此次計算中主要連接管路為鋼管和橡膠管，故管路Roughness值設為0.025；管路的長度和直徑均來自于實際測量。

2.3 結果分析

發(fā)動機額定轉速工況時，通過分析，系統的冷卻液流量分布如圖9所示。

(1)發(fā)動機額定轉速時散熱器的冷卻液流量最大達到115 L/min，結合發(fā)動機功率來看當發(fā)動機冷卻液進出散熱器溫差達到8～9 ℃即可滿足冷卻要求，該溫差屬于正常溫差，說明散熱器流量能夠滿足發(fā)動機需求；

(2)發(fā)動機前后暖風總流量為44.5 L/min，如進出暖風的冷卻液溫差達到1.9 ℃時，則暖風散熱量可達到5 kW，該溫差屬于正常溫差，說明暖風能夠滿足整車需求；

(3)油冷器和EGR冷卻液流量分別為53.2和23.5 L/min，依據發(fā)動機試驗經驗，該流量均能滿足需求。

圖10顯示了冷卻系統壓力計算結果，計算中，根據實際情況將水箱壓力設為0.13 MPa，從結果看冷卻系統中壓力分布正常未出現壓力劇烈波動點，計算得出水泵前的壓力約為0.086 MPa，系統的壓力損失約為0.191 MPa。從系統壓力分布來看，系統壓力較高,發(fā)生汽蝕的可能性較小。

從冷卻系統冷卻液流量和系統壓力分布來看，該冷卻系統設計方案合理，能夠滿足發(fā)動機的冷卻需求。

3 結束語

主要利用三維、一維聯合仿真方法對某型發(fā)動機冷卻系統進行評估，文中首先根據某型發(fā)動機初步設計水套進行CFD分析，計算得到水套各出口流阻特性，然后以水套流阻特性、各部件流阻特性和水泵性能曲線作為邊界進行整車冷卻系統一維分析，計算得出發(fā)動機各支路的冷卻液流量分配和系統壓力的分布狀況，從而對該發(fā)動機的冷卻系統布置進行評估，為發(fā)動機冷卻系統的布置方案提供理論支持。

【1】王宏大，李娟,?；?等.基于CFD技術的水套優(yōu)化設計[J].汽車制造業(yè)，2012(5):77-78.

【2】姚仲鵬，王新國.車輛冷卻傳熱[M].北京:北京理工大學出版社，2001.

Simulation Analysis for Diesel Engine Cooling System

YANG Xiao，WANG Hongda

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230601,China)

The diesel engine cooling system was calculated by 1D and 3D simulation methods. First the pressure drop of the water jacket was acquired by CFD method. Then the flow damp of the cooling system was obtained based on CFD results.At last,taking the CFD results as boundary, the cooling system of the diesel was simulated to evaluate the layout project of the diesel cooling system.

Cooling system；CFD analysis；Flow damp

2015-06-16

楊肖，男，本科，從事發(fā)動機研發(fā)設計工作。E-mail：whd.dly.jszx@jac.com.cn。