杜巍， 劉叢叢， 劉福水

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

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V型多缸柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)流動(dòng)不均勻性研究

杜巍， 劉叢叢， 劉福水

(北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

采用SolidWorks建立某V型多缸柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的水路三維模型，利用FLUENT軟件對(duì)冷卻系統(tǒng)中水路的流動(dòng)進(jìn)行了三維仿真計(jì)算，分析了冷卻系統(tǒng)在不同發(fā)動(dòng)機(jī)入口流量情況下左右兩排氣缸流量的差異及單排氣缸中通過(guò)各缸蓋的流量不均勻性變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨發(fā)動(dòng)機(jī)入口總流量的增加，左排氣缸冷卻液流量與右排氣缸冷卻液流量分配的差異減小，趨于均勻；單排氣缸中，通過(guò)各缸缸蓋的流量絕對(duì)值差異隨總流量的增加而增加，但不均勻度變化較小。

柴油機(jī)； 冷卻系統(tǒng)； 流動(dòng)分布； 不均勻性

冷卻系統(tǒng)是保證柴油機(jī)正常工作的重要系統(tǒng)，可將高溫工作的柴油機(jī)零件的熱量散發(fā)出去，使柴油機(jī)得到適度冷卻，保證柴油機(jī)始終在正常的溫度范圍內(nèi)工作[1-2]。多缸柴油機(jī)的缸數(shù)較多，盡管每缸水套和水腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一樣的，但實(shí)際上由于沿程阻力和局部阻力的存在，會(huì)出現(xiàn)各缸流動(dòng)的不均勻現(xiàn)象，從而造成冷卻的不均勻[3]。各缸冷卻不均勻?qū)⒅苯釉斐刹裼蜋C(jī)各缸傳熱不同、有效熱效率不同、高溫零件的熱負(fù)荷不同等問(wèn)題。研究不同工況下柴油機(jī)各缸冷卻液流動(dòng)的不均勻性對(duì)于指導(dǎo)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和整機(jī)精細(xì)化設(shè)計(jì)具有重要的意義[4-6]。

多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究。2008年Nutinen Mika 等利用CFD 軟件STAR-CD計(jì)算了燃燒室內(nèi)活塞表面的溫度，并考慮到缸內(nèi)燃?xì)饷芏鹊淖兓?，重新定義了綜合的壁面函數(shù)，并將其與標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)下的計(jì)算結(jié)果相比較，提高了流固耦合傳熱數(shù)值模型的求解精度[7]。意大利摩德納大學(xué)的Stefano Fontanesi等使用STAR-CCM+對(duì)內(nèi)燃機(jī)水套進(jìn)行了三維CFD和FEM計(jì)算，并對(duì)缸蓋和水套的機(jī)械疲勞強(qiáng)度和熱疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析[8]。北京理工大學(xué)肖翀、左正興等應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)氣缸蓋流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析，探索了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對(duì)氣缸蓋溫度及應(yīng)力大小和分布的影響程度，并且就缸蓋入口流量對(duì)缸蓋冷卻的影響進(jìn)行了分析[9]。郭良平等對(duì)高功率下的氣缸蓋冷卻水腔進(jìn)行了流動(dòng)數(shù)值分析，對(duì)火力面附近冷卻效果不理想的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，期以獲得更好的冷卻效果[10]。吉林大學(xué)李朋利用ANSYS軟件分析了一款液壓自由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水套的流場(chǎng)，并提出了增大4個(gè)上水口尺寸、增加掃氣道鼻梁區(qū)水套結(jié)構(gòu)、將水套入水口向上傾斜角由30°改成25°3種方法對(duì)水套進(jìn)行了優(yōu)化[11]。湖南大學(xué)李斌使用Fire軟件對(duì)某型汽油機(jī)冷卻水套和缸體進(jìn)行流固耦合仿真分析，計(jì)算了缸體溫度場(chǎng)的分布，采用順序耦合計(jì)算方法，求解了缸體熱應(yīng)力，結(jié)果表明，缸體熱負(fù)荷滿足設(shè)計(jì)要求[12]。

本研究以某V型多缸柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)為研究對(duì)象，用SolidWorks建立其冷卻水腔的三維模型，使用 FLUENT軟件進(jìn)行冷卻水腔的三維流動(dòng)仿真計(jì)算，分析發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的入口流量情況下，左右兩排氣缸的流量不均勻性變化規(guī)律，以及每排氣缸各缸缸蓋流量的不均勻性隨總體流量的變化規(guī)律。

1 研究對(duì)象和方法

1.1 研究對(duì)象

所研究的某V型多缸柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)為強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng)，組成示意見(jiàn)圖1。

用SolidWorks建立水路的三維模型(見(jiàn)圖2)。柴油機(jī)為V型8缸機(jī)，缸蓋為一缸一蓋分體式結(jié)構(gòu)。冷卻液進(jìn)入主水道后分成兩路，一路經(jīng)過(guò)機(jī)油換熱器，進(jìn)入5，6，7，8缸箱體水腔和缸蓋水腔，再流入分回水管；一路進(jìn)入1，2，3，4缸箱體水腔和缸蓋水腔，流入分回水管。最終，冷卻液由兩個(gè)分回水管匯入主回水管，流回水箱。

利用ICEM對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇基本網(wǎng)格尺寸5 mm，并對(duì)缸蓋鼻梁區(qū)等關(guān)鍵流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密，同時(shí)對(duì)近壁面采用多層邊界層網(wǎng)格，最終生成網(wǎng)格總數(shù)200多萬(wàn)。網(wǎng)格模型見(jiàn)圖3。

1.2 計(jì)算內(nèi)容和數(shù)據(jù)處理方法

計(jì)算過(guò)程中假設(shè)柴油機(jī)的機(jī)內(nèi)冷卻系統(tǒng)流動(dòng)為三維穩(wěn)態(tài)、不可壓、黏性湍流流動(dòng)，流體介質(zhì)為純水，并且不考慮冷卻水腔壁面粗糙度。在FLUENT中湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，對(duì)于壁面附近的區(qū)域，采用Standard Wall Function模型。入口采用質(zhì)量流量入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件，出口壓力為0.1 MPa，其余邊界默認(rèn)為壁面。對(duì)于換熱器部分，采用多孔介質(zhì)代替。在計(jì)算過(guò)程中，除改變總體流量邊界條件外，其他邊界條件保持不變。

設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)入口總流量邊界條件分別為6.65 kg/s，8.31 kg/s，9.97 kg/s，11.64 kg/s，13.30 kg/s進(jìn)行仿真計(jì)算。通過(guò)軟件處理得到經(jīng)過(guò)各缸氣缸蓋水路的流量，并分析在不同的總體流量下，左排氣缸總流量與右排氣缸總流量的差異隨總體流量的變化規(guī)律，以及每排缸單獨(dú)比較時(shí)，各個(gè)氣缸蓋流量不均勻性與總體流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了對(duì)各缸蓋流量不均勻性進(jìn)行評(píng)價(jià)，引入流量不均勻度的概念。定義各缸蓋流量不均勻度為

(1)

(2)

式中：mi表示第i缸缸蓋流量(i=1,2,…8)； mmean為每缸缸蓋流量的平均值； mmax為流量最大值； mmin為流量最小值；Δm為各缸缸蓋流量不均勻度。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 左右兩排缸缸蓋進(jìn)口速度隨入口總流量的變

化規(guī)律

圖4示出仿真計(jì)算得到的冷卻水腔流場(chǎng)矢量圖。從中可以看出，水腔中大部分流域流速都維持在0.5 m/s以上，其中冷卻液流速在換熱器、回水總管中較低，在缸蓋入口和出口的細(xì)喉口處速度最大，在箱體水套中流速適中。冷卻液從氣缸蓋出口流入回水管后，由于流通面積突然加大，相當(dāng)于冷卻液從管道流入一個(gè)空腔之中，此處產(chǎn)生了較大的局部流動(dòng)損失。

計(jì)算所得的各缸氣缸蓋冷卻液進(jìn)口處的平均流速vi(i=1,2,3，…8)見(jiàn)表1。從表中可知，發(fā)動(dòng)機(jī)入口總流量變化時(shí)，左排氣缸缸蓋進(jìn)口的流體速度總是小于右排氣缸缸蓋進(jìn)口的流體速度，且單排氣缸蓋進(jìn)口的流速存在一定的不均勻性。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口總流量的變化，每個(gè)氣缸蓋進(jìn)口的流速均增加，但右排氣缸缸蓋進(jìn)口流速?gòu)拇蟮叫∨帕许樞虿蛔儯３譃関1>v3>v4>v2，左排氣缸缸蓋進(jìn)口流速?gòu)拇蟮叫∨帕许樞蛞膊蛔儯３譃関5>v7>v8>v6。

表1 各缸缸蓋進(jìn)口流速

2.2 左右兩排缸流量隨入口總流量的變化規(guī)律

根據(jù)仿真結(jié)果處理得到左排氣缸的冷卻液流量與右排氣缸的冷卻液流量數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)。由表2可知，左排氣缸冷卻液流量一直小于右排氣缸冷卻液的流量，但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)入口總流量的增加，左右兩排氣缸流量的差異減小，左排氣缸流量所占百分比從44.66%增加到48.12%，右排氣缸流量所占比例從55.34%下降到51.88%。

表2 左右排氣缸流量分配情況

圖5示出不同流量時(shí)換熱器、左排氣缸水腔、右排氣缸水腔的進(jìn)出口壓降。從數(shù)據(jù)分析可知，左排和右排氣缸水腔的進(jìn)出口壓差隨流量的變化規(guī)律比較接近，流動(dòng)阻力系數(shù)接近；而換熱器進(jìn)出口壓差隨流量變化的曲線斜率小于左、右排氣缸水腔進(jìn)出口壓差的曲線斜率，說(shuō)明換熱器的流動(dòng)阻力系數(shù)要小于左、右排氣缸水腔的流動(dòng)阻力系數(shù)。最終導(dǎo)致左排氣缸冷卻液的流量總是小于右排氣缸冷卻液的流量；而且當(dāng)總流量增加時(shí)，換熱器對(duì)左右兩排氣缸的流量分配影響程度小于缸蓋和水套的影響，左右排氣缸流量的差異減小。

2.3 單排氣缸缸蓋流動(dòng)不均勻性隨總體流量的變

化規(guī)律

將后處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到發(fā)動(dòng)機(jī)每排氣缸各個(gè)缸蓋的冷卻液流量，根據(jù)式(1)和式(2)可以得到左、右排氣缸缸蓋流量的不均勻度(見(jiàn)表3和表4)。從表3可知，由于沿程阻力的存在，6缸缸蓋的流量最?。?缸缸蓋流量由于滯止效應(yīng)，冷卻液的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成壓力勢(shì)能，使5缸缸蓋的入口壓力增加，導(dǎo)致其流量最大。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)總流量從6.65 kg/s增加到13.3 kg/s時(shí)，左排氣缸缸蓋流量的最大流量與最小流量的差值從0.05 kg/s增加到0.12 kg/s，但不均勻度只是在6.73%～7.68%范圍內(nèi)浮動(dòng)，變動(dòng)范圍為0.95%。

表3 左排氣缸缸蓋流量不均勻度

表4 右排氣缸缸蓋流量不均勻度

從表4可知，與左排同樣的原因，2缸缸蓋流量最小，1缸缸蓋流量最大?？偭髁繌?.65 kg/s增加到13.3 kg/s時(shí)，右排氣缸缸蓋流量最大流量差值從0.16 kg/s增加到0.31 kg/s，但不均勻度在17.39%～18.94%范圍內(nèi)浮動(dòng)，變動(dòng)范圍為1.55%。綜合左右兩排的數(shù)據(jù)可知，單排氣缸的流量不均勻度與總流量之間不存在線性的變化關(guān)系，而是在一個(gè)較小的范圍內(nèi)上下浮動(dòng)。所以發(fā)動(dòng)機(jī)總流量的變化對(duì)每排氣缸缸蓋的流量不均勻性的影響不明顯。

由于左排氣缸入口有換熱器的存在，右排氣缸平均流速大于左排氣缸，所以右排氣缸的滯止效應(yīng)大于左排，導(dǎo)致右排5缸缸蓋流量升高量明顯大于左排1缸。但到2缸的沿程損失大于到6缸的沿程損失，以流量為13.3 kg/s為例， 2缸與6缸的缸蓋流量相差0.02 kg/s，而1缸與5缸相差0.21 kg/s，所以導(dǎo)致右排氣缸的流量不均勻度大于左排。

3 結(jié)論

a) 由于換熱器的存在，V型多缸柴油機(jī)左排氣缸流動(dòng)阻力大于右排氣缸流動(dòng)阻力，使得左排氣缸冷卻液的流量一直小于右排氣缸的流量；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)總流量的增加，換熱器的流動(dòng)阻力在左排氣缸中的影響程度下降，左右兩排氣缸的流量分配差異減小，趨于均勻；由于左右兩排流動(dòng)阻力除換熱器引起的不同外，完全對(duì)稱，所以要降低兩側(cè)流動(dòng)的不均勻性，應(yīng)在保證換熱的情況下，盡可能使用流動(dòng)阻力小的換熱器；

b) 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)入口總流量增加時(shí)，每排氣缸的缸蓋最大流量與最小流量的差值增大，但各缸缸蓋的流量不均勻度變化不大，而是在一個(gè)很小的范圍內(nèi)上下浮動(dòng)，說(shuō)明發(fā)動(dòng)機(jī)總流量對(duì)各缸缸蓋冷卻液流量的不均勻度影響不大；由于換熱器的存在，右排氣缸流量不均勻度大于左排。

[1] 周龍保．內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社， 2010．

[2] 胡在雙.摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套與缸體流固耦合傳熱研究[D].重慶：重慶大學(xué),2014.

[3] 閔祥芬．高強(qiáng)化柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)[D].北京：北京理工大學(xué)，2012.

[4] 郭良平．柴油機(jī)氣缸蓋傳熱規(guī)律研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011(3)：278-282，31．

[5] 談秀菊．內(nèi)燃機(jī)氣缸蓋冷卻水腔的優(yōu)化分析研究[D].天津：天津大學(xué)，2005．

[6] 劉福水,閔祥芬,樊豐，等.柴油機(jī)冷卻水套的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].汽車工程,2014(6):728-733.

[7] Nuutinen Mika, Kaario Ossi, Larmi Martti. Conjugate heat transfer in CI engine CFD simulations[C].SAE Paper 2008-01-0973.

[8] Stefano Fontanesi. Multiphase CFD-CHT optimization of the cooling jacket and FEM analysis of the engine head of a V6 diesel engine[J].Applied Thermal Engineering， 2013，52：293-303.

[9] 肖翀, 左正興．柴油機(jī)氣缸蓋的耦合場(chǎng)分析及應(yīng)用[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2006(4)：26-29，34．[10] 郭良平， 劉福水，王長(zhǎng)園，等．高功率條件下氣缸蓋的溫度測(cè)試和改善冷卻的數(shù)值模擬[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2012,30(5): 462-468.

[11] 李朋. 液壓自由活塞柴油機(jī)冷卻水套的流動(dòng)及傳熱分析[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[12] 李斌.基于流固耦合的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套-缸體傳熱研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2012

[編輯: 李建新]

Flow Non-uniformity of Cooling System for V-type Multi-cylinder Diesel Engine

DU Wei, LIU Congcong, LIU Fushui

(School of Mechanical Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

The three-dimensional model of cooling system waterway for a V-type multi-cylinder diesel engine was built with SolidWorks software, the simulation and calculation of cooling water flow was conducted with FLUENT software, and the difference between the left and the right row water flow and the non-uniformity of flow passing through each cylinder head in single row were analyzed under different flow rates of engine entrance. The results show that the difference between the left and the right row cooling water flow becomes smaller with the total flow increase of engine entrance. The difference between flow absolute values of each cylinder head in single row increases with the increase of total flow, but the non-uniformity hardly changes.

diesel engine; cooling system; flow distribution; non-uniformity

2015-11-11;

2016-03-23

國(guó)家部委預(yù)研項(xiàng)目(40402020101)

杜巍(1974—)，男，博士，副教授，主要從事內(nèi)燃機(jī)性能仿真與測(cè)試方面的研究；dwei@bit.edu.cn。

劉福水(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事內(nèi)燃機(jī)總體設(shè)計(jì)和工作過(guò)程優(yōu)化方面的研究； fushui_liu@bit.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.03.013

TK414.2

B

1001-2222(2016)03-0067-04