喻昆，王宏大，王次安

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某國V柴油機水套設計仿真分析

喻昆，王宏大，王次安

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

利用一維、三維聯合仿真方法對某型柴油機水套設計進行仿真分析，文中首先對匹配該發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)進行分析，得出發(fā)動機冷卻液的分布結果，以此為邊界對水套進行CFD分析,評估水套的換熱性能。

CFD；水套；冷卻系統(tǒng)；換熱性能

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-223-03

前言

在發(fā)動機運行過程中，在燃油的燃燒過程中，發(fā)動機的溫度以極快的速度提升，如不對發(fā)動機進行有效的冷卻換熱，則發(fā)動機各方面性能將大大下降，甚至可能引起拉缸和活塞燒蝕等問題，嚴重的影響發(fā)動機的正常運行。因此發(fā)動機的冷卻問題一直是發(fā)動機研發(fā)人員關注的重點。

發(fā)動機冷卻主要通過三種方式1、發(fā)動機熱輻射2、發(fā)動機本體的導熱3、發(fā)動機水套內部冷卻液的對流換熱。其中發(fā)動機絕大部分熱量是通過發(fā)動機內部的冷卻液流動帶走，因此在發(fā)動機設計過程中，水套的設計至關重要。本文就公司某型國V柴油機發(fā)動機水套進行分析，評估水套的換熱性能。

1、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)分析

1.1 計算模型

計算模型主要根據整車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的布置利用一維流體計算軟件進行模型的建立，本次計算中冷卻系統(tǒng)的原理圖如圖1所示：

圖1 冷卻系統(tǒng)原理圖

圖2 冷卻系統(tǒng)分析模型

依據發(fā)動機冷卻系統(tǒng)原理圖及冷卻系統(tǒng)三維數模的幾何參數在Flowmaster中搭建一維分析模型。構架發(fā)動機冷卻系統(tǒng)分析模型如圖2所示：

1.2 邊界條件

計算中冷卻液為50%水與乙二醇混合液，計算工況為發(fā)動機額定轉速節(jié)溫器全開工況，其中各部件流動阻尼如下圖3所示：

圖3 各部件流阻數據示意圖

水泵性能數據如圖4所示：

圖4 水泵suter曲線

1.3 分析結果

通過1D冷卻系統(tǒng)分析得出發(fā)動機冷卻系統(tǒng)各部件冷卻液流量：

以上分析數據將作為發(fā)動機水套分析各進出口的輸入邊界。

2、發(fā)動機水套仿真

2.1 水套模型及網格劃分

圖5 水套網格模型

根據設計思想該發(fā)動機水套為4缸機水套，設有一個冷卻液進口和四個冷卻液出口。通過Hypermesh前處理軟件對模型進行前處理，并進行面網格的劃分。表面網格劃分完畢，利用Star—CD軟件對模型進行三維網格的劃分，網格尺寸絕大部分為1～2mm，其中缸墊部分因模型較小進行細化，網格尺寸為0.5mm，網格總數約為156萬計算模型如圖5所示。

2.2 邊界條件

計算中發(fā)動機水套各進出口冷卻液流量邊界為1D分析結果，其中缸體、缸墊、缸蓋壁面溫度及進口冷卻溫度如下：

進口冷卻液溫度：368K

缸體壁溫：115℃

缸墊壁溫：125℃

缸蓋壁溫：125℃

其中水套冷卻液進口壓力依據1D分析結果設為2.75bar。

2.3 CFD分析結果

2.3.1 缸蓋水套分析結果

據發(fā)動機水套計算經驗，缸蓋水套分析主要考察缸蓋水套鼻梁區(qū)的換熱和流速能否滿足要求。圖6為缸蓋水套換熱系數分布示意圖：

圖6 缸蓋水套換熱系數分布示意圖

從圖6計算結果來看缸蓋水套鼻梁區(qū)（圖中紅圈位置）換熱系數均能達到14000W/m2.K的換熱要求，說明缸蓋換熱重點部位設計良好，缸蓋其他部位換熱系數良好能夠滿足需求。

圖7為缸蓋流速在0-3m/s范圍內的速度云圖，從速度云圖中可以看出冷卻液通過缸體水套進入缸蓋水套排氣側，冷卻液流經缸蓋鼻梁區(qū)縱向流經水套到達水套出水口，因而缸蓋排氣側換熱優(yōu)于進氣側。

圖7 缸蓋水套流場示意圖

從缸蓋結果來看，缸蓋水套換熱良好，冷卻液流動均勻無流動滯止區(qū)域，缸蓋水套的換熱能夠滿足發(fā)動機的運行需求。

2.3.2 缸體水套分析結果

缸體水套在計算分析中重點關注缸體火力岸面得換熱和流速能否滿足要求。圖8為發(fā)動機水套換熱系數分布示意圖，從圖中可以看出一缸和二缸火力岸面的換熱系數較能夠滿足5700W/m2.K的換熱要求；三缸水套均存在小部分區(qū)域換熱系數約為4500W/m2.K左右，四缸水套火力岸面大部分區(qū)域換熱系數為4000W/ m2.K，總的來看該缸體水套的換熱良好能夠滿足需求。

圖8 缸體水套換熱系數分布示意圖

圖9 缸體水套流場示意圖

圖9為缸體流速在0-2m/s范圍內的速度云圖，從速度云圖中可以看出冷卻液進入水套后沿水套進口兩側進行流動，從速度場分布來看，缸體水套各部位冷卻液流動正常，未出現流動滯止區(qū)，說明缸體水套有利于冷卻液流動。

從缸體結果來看，缸體水套換熱良好，冷卻液流動均勻無流動滯止區(qū)域，缸體水套的換熱能夠滿足發(fā)動機的運行需求。

3、結論

1）從分析結果來看，該發(fā)動機水套具有良好的換熱性能及優(yōu)良的內部設計，各項指標均能滿足評判標準說明該水套設計合理。

2）在發(fā)動機水套分析中采用一維和三維聯合仿真有利于獲取準確的輸入邊界，從而能夠保證分析結果的準確性

[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].北京理工大學出版社,2001.

Simulation analysis on the water jacket of the V diesel engine

Yu Kun, Wang Hongda, Wang Cian
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

The diesel engine water jacket is calculated by 1D and 3D simulation. First the flow rate of the water jacket outlet can be determined by the 1D the analysis. Then the 3D analysis of water jacket can be done using the result the 1D analysis as boundaries. Evaluate the heat transfer capability of the water jacket through the result 3D analysis.

CFD; cooling system; water jacket; heat transfer

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-223-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.077

喻昆，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。