崔欣潔，劉云艷，張世偉，王君，周章遐

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

某小型汽油機冷卻水套CFD模擬計算

崔欣潔，劉云艷，張世偉，王君，周章遐

（哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150060）

文章以我公司某小型4缸1.5L自然吸氣式汽油機為研究對象，利用CATIA軟件建立冷卻水套的3D幾何模型，并進(jìn)行必要的合理簡化。應(yīng)用AVL公司FIRE軟件對發(fā)動機冷卻水套內(nèi)的流場進(jìn)行模擬計算，獲得整個冷卻水套的內(nèi)部流動。結(jié)果表明，冷卻水套設(shè)計較為合理，基本達(dá)到自然吸氣式水套的冷卻要求，局部區(qū)域仍需要優(yōu)化。

冷卻水套；汽油機；CFD

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.012

CLCNO.: U464.171 DocumentCode: A ArticleID: 1671-7988 (2016)12-35-03

前言

發(fā)動機缸蓋機體是發(fā)動機的主要部件，其形狀非常復(fù)雜，里面的冷卻水通道形狀也非常復(fù)雜。試驗證實，燃?xì)鈧鹘o冷卻液的熱量約占燃料總熱量的20%～30%而通過缸蓋傳出的熱量約占發(fā)動機傳給冷卻液全部熱量的50%～65%[1]。因此，對缸蓋冷卻水套進(jìn)行分析和改進(jìn)，是提高內(nèi)燃機性能的重要措施。對內(nèi)燃機冷卻水套的研究，主要采用試驗研究和數(shù)值模擬方法[2]。試驗研究方法通常費時、費力、費錢、有樣機產(chǎn)品，設(shè)計階段無法進(jìn)行，隨著CFD技術(shù)的發(fā)展和成熟，CFD越來越多的應(yīng)用到汽車和發(fā)動機方面，特別是在現(xiàn)代企業(yè)中，為了縮短開發(fā)周期和節(jié)省經(jīng)費，使用分析軟件進(jìn)行設(shè)計開發(fā)特別是改型設(shè)計的方案驗證成為重要手段。本文運用CFD軟件對發(fā)動機冷卻水套進(jìn)行流場分析，獲得了詳細(xì)的流場信息，并對冷卻效果做出評價，對其不足之處提出改進(jìn)方案．提供設(shè)計參考。

1、冷卻水套CFD分析計算過程簡述

本次分析是以4缸直列4沖程自然吸氣汽油機作為研究對象，研究大小循環(huán)全部開啟的工況下，冷卻液在冷卻水套的流動情況。冷卻水循環(huán)如下：冷卻液由水泵以一定速度壓力進(jìn)入缸體冷卻水套，冷卻液流經(jīng)整個缸體后，在缸體水套內(nèi)通過缸體缸蓋相連接處的墊片孔流入缸蓋水套，后從缸蓋水套出口流出，大循環(huán)部分通過節(jié)溫器進(jìn)入水箱再流回水泵，小循環(huán)部分通過節(jié)溫器不進(jìn)入水箱直接流回水泵。

1.1 冷卻水套的CAD模型網(wǎng)格劃分

由于水泵的真實結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是葉片的造型，而我們真正關(guān)心的是冷卻水套內(nèi)部的流動情況，故對水泵部分進(jìn)行簡化，如圖1所示。

圖1 水泵簡化處理示意圖

1.2 冷卻水套的網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格品質(zhì)的好壞直接影響到數(shù)值解和數(shù)據(jù)的計算精度，而且這種影響在許多情況下甚至是決定性的。目前，在CFD高度發(fā)達(dá)的美國網(wǎng)格生成所需的人力時間占一個計算任務(wù)全部人力時間的60%～80%，可見網(wǎng)格生成是CFD作為工程應(yīng)用的有效工具所面臨的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。因此計算網(wǎng)格生成受到世界各國計算流體力學(xué)工作者和工業(yè)部門的重視，網(wǎng)格的類型及尺度都會直接影響到CFD 計算結(jié)果的精度和穩(wěn)定性。本文采用缸體、缸墊孔及缸蓋分別劃分網(wǎng)格，再使用Arbitrary connect結(jié)合，在結(jié)合區(qū)域，要求網(wǎng)格尺寸相差不大，此種方法生成網(wǎng)格質(zhì)量較高，特別是缸墊孔區(qū)域，能完整保留特征尺寸。在冷卻流動變化比較大的地方和重點關(guān)注區(qū)域，采用網(wǎng)格加密方法。該模型網(wǎng)格數(shù)大約為350萬，網(wǎng)格主要是由六面體單元組成，另外還包括少量五面體和四面體。水套的計算網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 冷卻水套的網(wǎng)格模型

1.3 數(shù)學(xué)模型建立

本文的流動計算將水套內(nèi)的冷卻液視為三維穩(wěn)態(tài)粘性不可壓縮流體的湍流流動，考慮液體內(nèi)部傳熱和液體與壁面之間的換熱。數(shù)學(xué)模型在連續(xù)方程、動量方程及能量守恒方程的基礎(chǔ)之上，湍流模型和壁面換熱模型。對于湍流的處理，工程上廣為采用的方法是對瞬態(tài)N-S方程做時間平均處理，同時補充反映湍流特性的湍流模型k-ε方程，如常用的湍流方程，即湍動能k方程和湍流耗散率ε方程等[4]。

連續(xù)方程：

動量方程：

能量守恒方程：

湍動能k方程：

湍流耗散率ε方程：

換熱系數(shù)計算方程：

式中Cp為流體比熱容；ρ為流體密度；Pr為有效普朗特數(shù)；Pm為分子普朗特數(shù)；τw為壁面剪切應(yīng)力；υ為流體速度；tw為壁面溫度。

1.4 計算邊界條件

邊界條件是指在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量或其一階導(dǎo)數(shù)隨地點及時間變化的規(guī)律。只有給定了合理的邊界條件，才有可能算得出流場的解。因此，邊界條件是CFD問題有定解的必要條件[5]。

1.4.1 進(jìn)出口邊界條件

進(jìn)口的邊界條件為給定發(fā)動機轉(zhuǎn)速的冷卻液的質(zhì)量流量并使用用戶函數(shù)來加載水泵旋轉(zhuǎn)方向，葉片的出射角，水泵轉(zhuǎn)速及速比等。出口邊界共有兩處，一處為大循環(huán)出口，出口按照流場充分發(fā)展進(jìn)行處理，即給定任何物理量的梯度為0。另一處為小循環(huán)出口，給定出口質(zhì)量流量。

1.4.2 壁面邊界條件

由于發(fā)動機工作時氣缸內(nèi)的溫度分布較復(fù)雜，要想準(zhǔn)確地給出發(fā)動機冷卻水套各部位的溫度值是極為困難的。因此，本文參考其他型號發(fā)動機的試驗數(shù)據(jù)并結(jié)合咨詢公司建議的溫度值設(shè)定，近似地給定了本文冷卻水套的壁面溫度值，缸蓋平均溫度為130℃，缸墊孔溫度為120℃，缸體平均溫度為110℃。對于壁面附近的區(qū)域采用壁面函數(shù)法來處理，本文計算采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)（Standard Wall Function）來進(jìn)行壁面處理。

1.4.3 發(fā)動機冷卻液的設(shè)定

計算冷卻液流體為50%水和50%乙二醇（GLYCOL）的混合液，其參數(shù)(如密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等)可以通過CFD中的用戶自定義流體來輸入。

2、冷卻水套的計算結(jié)果

本文冷卻水套的模型采用AVL的FIRE軟件計算并進(jìn)行后處理，分析發(fā)動機冷卻水套內(nèi)的流場生成相關(guān)云圖和矢量圖。考慮到水泵部分的簡化處理，水泵處的流動計算不合理，可忽略。

2.1 冷卻水套的速度分布

圖3和圖4分別為冷卻水套和缸蓋水套的速度云圖。如圖所示，整個缸蓋排氣側(cè)的流速稍大于進(jìn)氣側(cè)的流速，缸蓋冷卻水套外表面的冷卻液在第一缸附近的流速較低，說明一缸的冷卻效果較差，特別是一缸火力岸處。圖5為缸蓋第一缸墊片孔處的速度矢量圖，明顯看出火力岸處水流速度較低，水流直沖到缸蓋頂部。這是由于水泵旋轉(zhuǎn)作用，且排氣側(cè)的墊片水孔的布置及缸蓋水套的結(jié)構(gòu)影響，使得冷卻液沖入缸蓋頂部，降低了火力岸的冷卻效果。

圖3 冷卻水套的速度云

圖4 缸蓋水套的速度云圖

圖5 缸蓋一缸墊片孔處水套的速度矢量圖

圖6為缸蓋第一缸到第四缸鼻梁區(qū)的速度矢量圖。缸蓋鼻梁區(qū)的冷卻液第一缸、第二缸的流速略大于第三缸、第四缸排氣側(cè)鼻梁區(qū)的流速，但流速基本達(dá)到2m/s以上，能滿足該區(qū)域的冷卻要求。

圖6 冷卻水套的速度云圖

2.2 冷卻水套的換熱系數(shù)分布

換熱系數(shù)的分布與速度場的分布緊密相關(guān)，速度大的地方換熱系數(shù)也較大，反之，速度小的地方換熱系數(shù)也較小。整個冷卻水套的換熱系數(shù)平均值為8273W/(m2·K)，缸體水套換熱系數(shù)平均值為6501W/(m2·K)，缸蓋水套換熱系數(shù)平均值為8844 W/(m2·K)，都達(dá)到了可以接受的范圍，如圖7所示。

圖7 冷卻水套的換熱系數(shù)分布圖

2.3 冷卻水套的壓力分布

圖8為冷卻水套的總壓分布。從圖中可以看出整個水套的壓力分布。水套模型的進(jìn)出口總壓損失為165mbar，總壓損失偏小，水泵所需要的泵水壓力也較小，故水泵有很大的優(yōu)化空間。

圖8 冷卻水套的壓力云圖

3、結(jié)論

本文利用CFD軟件FIRE對1.5L自然吸氣汽油發(fā)動機冷卻水套的流場在速度、壓力及換熱系數(shù)方面進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，并分析其結(jié)果得出如下結(jié)論：

（1）通過FIRE的流體計算，可以用較少的時間獲得大量流場信息，為此款發(fā)動機冷卻水套的優(yōu)化設(shè)計提供重要參考依據(jù)。

（2）冷卻水套流場內(nèi)平均的換熱系數(shù)及缸體缸蓋內(nèi)冷卻液的流速基本滿足冷卻要求，但是由于水泵旋轉(zhuǎn)的作用，導(dǎo)致一缸墊片孔的排氣側(cè)冷卻液流速較大，冷卻液直沖到缸蓋頂部，削弱了缸蓋火力岸處的冷卻效果，需要對該處水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，在此處加強導(dǎo)流作用，改變其流動方向，進(jìn)而改善冷卻效果。因此，發(fā)動機冷卻水套的冷卻能力仍有提升空間。

[1] 關(guān)躍,劉文鐵,劉明科等.發(fā)動機缸蓋的CFD- CAD設(shè)計方法. 哈爾濱 節(jié)能技術(shù) 2004,1.

[2] 王建東.某發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的研究.南京 南京理工大學(xué) 2008：35-37.

[3] 帥石金, 王志, 王建昕.發(fā)動機CAD/ CFD設(shè)計技術(shù). 北京 汽車工程 2004,5.

[4] 張師帥.計算流體動力學(xué)及其應(yīng)用. 武漢：華中科技大學(xué)出版社2011.

[5] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社 2004．

CFD Analysis and Simulation Study on Cooling-water Jacket in Gasoline Engine

Cui Xinjie, Liu Yunyan, Zhang Shiwei, Wang Jun, Zhou Zhangxia
（Center of Technology, Harbin DongAn Automotive Engine Manufacturing Co., Ltd, Heilongjiang Harbin 150060）

The research object is a NA gasoline engine. The 3D solid model was created with CATIA.The cooling-water jacket was simulated and analyzed with FIRE software. The flow field and pressure field in the water jacket are obtained. The result shows the design of cooling-water jacket is reasonable ,which is up to the standard of NA engine ,and some section still will be optimized.

Cooling-water Jacket; Gasoline; CFD

U464.171

A

1671-7988 (2016)12-35-03

崔欣潔（1981-），女，就職于哈爾濱東安汽車發(fā)動機制造有限公司技術(shù)中心，研究方向為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)分析及其他系統(tǒng)CFD分析計算。