[摘 要]當今社會科學技術(shù)的進步，為人們的生活帶來了諸多便利，將軟件技術(shù)應(yīng)用于汽車發(fā)動機械的冷卻水套的數(shù)值模擬，對模擬的結(jié)果精確分析，從而找出汽車發(fā)動機的冷卻水套中存在的問題，同時通過CFD軟件系統(tǒng)對發(fā)動機進行三維數(shù)值的模仿，并通過改善水套的冷卻效果，對水套的結(jié)構(gòu)有效調(diào)整，不斷對發(fā)動機冷卻水套的系統(tǒng)優(yōu)化，促使發(fā)動機具備理想的機內(nèi)冷卻環(huán)境，通過CFD的計算結(jié)果確定冷卻水套的能力范圍，從而對汽車發(fā)動機進行優(yōu)化設(shè)計。

[關(guān)鍵詞]CFD技術(shù)；汽車發(fā)動機；冷卻水套；優(yōu)化設(shè)計

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2018.03.142

當前，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，汽車不斷更新?lián)Q代，汽車市場競爭日益激烈，汽車種類不斷增加，汽車的性能也在不斷得到改善，汽車發(fā)動機是汽車的重要部分，發(fā)動機開發(fā)過程運用冷卻水套CFD分析計算技術(shù)，對這一技術(shù)的應(yīng)用對發(fā)動機設(shè)備在熱負荷較高的排氣管道周邊設(shè)置冷卻液循環(huán)流動，對發(fā)動機減少壓力損失。通過系統(tǒng)分析影響發(fā)動機冷卻水套性能的原因，進而逐漸促進優(yōu)化，節(jié)約發(fā)動機的研發(fā)成本。

1 CFD技術(shù)運用流程

1.1 劃分運算網(wǎng)格

CFD技術(shù)首先將司機需要計算的區(qū)域進行劃分和離散化，劃分網(wǎng)格的質(zhì)量對計算的精確度和效率具有很重要的影響，CFD工程師在進行CFD技術(shù)分析時，劃分網(wǎng)格的比重就占據(jù)了4/5的比重，占據(jù)分析過程的一大半時間，劃分網(wǎng)格需要在物理平面的基礎(chǔ)上適應(yīng)物理區(qū)域中各項參數(shù)變量的變化情況，對變化比較明顯且起伏比較大的網(wǎng)格分布區(qū)域盡量還要更細致化，而在變化相對平緩的區(qū)域劃分可以適當稀松一些，根據(jù)不同區(qū)域的情況劃分的特點不同，在提高分析的精確度的同時，對網(wǎng)格的數(shù)量盡量減少，縮短技術(shù)分析計算的時間，同時，根據(jù)邊界條件離散化的要求，網(wǎng)格劃分時應(yīng)該盡量做到網(wǎng)格線與物理區(qū)域的邊界線的交叉分布，更方便邊界數(shù)值的計算，同時也能夠防止網(wǎng)格的變形，對CFD技術(shù)的計算數(shù)值的精確度加以提升。

1.2 控制方程的設(shè)立

通過對汽車發(fā)動機運作原理的研究會發(fā)現(xiàn)，物體流動會不斷受到物理守恒定律的影響和控制，基本的物理守恒定律主要是指質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律以及能量守恒定律等，控制方程式對基本的守恒定律的方程式描述，提供必要的計算方式，控制方程本質(zhì)上屬于數(shù)學描述，對汽車發(fā)動機冷卻水套中CFD技術(shù)應(yīng)用的模擬計算實質(zhì)上是對控制方程求解的過程?？刂品匠痰木唧w求解可以表現(xiàn)為發(fā)動機的體積質(zhì)量、時間、速度、通用變量、廣義擴散系數(shù)以及廣義源項等方面的關(guān)系計算，（ρφ）|t+div（ρuφ）=div（Гgradφ）+S其中，ρ表示發(fā)動機的體積質(zhì)量，t表示時間，u代表速度，φ表示通用變量，既可以代表速度，也可以代表溫度等變量，Γ表示廣義擴散系數(shù)，在質(zhì)量守恒方程中結(jié)果為零。

1.3 求解模式設(shè)置

汽車發(fā)動機冷卻水套的CFD技術(shù)分析主要采用的是迎風離散格式和1階隱式格式離散時間項以及速度耦合算法等求解參數(shù)，將冷卻水套的內(nèi)部冷卻液主要設(shè)置為不可壓縮黏性湍流流動，其模型主要是 k—zeta—f 方程模型。其目的首先主要是使混合壁避免附近邊界層流體速度和壓力分布進行具體描述，而求解模式中設(shè)置邊界條件主要包括在出口邊界，應(yīng)符合壓力出口大氣壓作為出口壓力的條件；其次還需要入口邊界的進口速率可根據(jù)缸體冷卻水套的冷卻液入口實際流量以及入口處的面積作為具體計算條件；最后發(fā)動機的壁面需運用具有防滑的作用，利用防滑性質(zhì)的移固壁，盡量保持固體外表流體的速率為零。求解模式中的限制條件還可以包含水泵渦形腔進口邊界采用流量邊界條件，以及采取從油冷器流出進入缸體水套的進口等條件對求解模式進行控制變量后求解運算。

2 CFD技術(shù)計算結(jié)果分析

2.1 計算結(jié)果總體分析

在汽車發(fā)動機冷卻水套CFD技術(shù)的運用中，汽油機冷卻水流場中的速度場合溫度場以及壓力場等參數(shù)具有相互作用的關(guān)系，因此需要首先運用必要的流場參數(shù)，對流場中的各個參數(shù)加以總結(jié)對比。根據(jù)具體的發(fā)動機運作情況可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動機在運作的過程中整個冷卻水套的速度場分布情況存在跟大差異，冷卻效果也存在著很大的不同。從發(fā)動機運作的原理上來說發(fā)動機冷卻水套屬于多缸機流動分配，這種流動分配的方式主要是從缸套進入通過一定的缸墊孔面積調(diào)整流入的具體流量，最后由缸頭流出，對具體的流量控制根據(jù)汽車的性能以及發(fā)動機的實際情況進行計算。這種調(diào)節(jié)要求越接近水套入口的時候氣缸端部的水流流量越大，這主要是因為，氣缸的冷卻水主要來自氣缸缸體，同時距離水套入口越遠的氣缸頭部通過的具體流入的流量就會越少，這是因為缸頭的冷卻水的流量來自源上游缸頭。

圖1 發(fā)動機冷卻水套多缸機流動分配

2.2 流動模擬化結(jié)果

首先，發(fā)動機冷卻水套中的冷卻液在進入之后，因進入之前所受到的水泵等其他因素的影響促使冷卻液的流動并不是單一的直線流動，主要是因為缸體冷卻水套外部存在的冷卻液不能夠完全沿缸體進行橫向、單一方向的流動，而是首先流到缸體下底面再流動到缸體的上方，這就使得冷卻液在水套外壁面的位置出現(xiàn)漩渦，這就直接對冷卻水套液體流動構(gòu)成一定的阻力，冷卻液如果在冷卻水套外壁的流動速度降低就會對自身的冷卻效果不斷降低。其次，發(fā)動機缸體的冷卻水套也會受到溫度的影響，由于冷卻水套的溫度并不是均勻分布的，冷卻水套的排氣區(qū)域的氣溫高于其他區(qū)域的氣溫。最后，缸體冷卻水套頂平面及底平面的速度在不同的流動區(qū)域的速度也不相同，一般情況下，冷卻液在缸體水套的上頂部流動時速度是相當快速的。但是，當冷卻液到達缸體冷卻水套的下底部的時候，冷卻液的流動速率就會變得遲緩，甚至冷卻液的流動速度有可能會下降到零，而冷卻液在進氣一側(cè)的流動速率會一直低于排氣區(qū)域的流動速率。具體研究觀察可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動機設(shè)備冷卻水套中的冷卻液在缸體頂端的流動速度高于底部流動速度。endprint

圖2 流動模擬化

3 CFD技術(shù)在汽車發(fā)動機冷卻水套優(yōu)化方案

汽車發(fā)動機的模擬運行中可以發(fā)現(xiàn)，由于冷卻液在冷卻水套的首缸體外壁面容易產(chǎn)生漩渦狀況，會對冷卻水套內(nèi)部的冷卻液的流動產(chǎn)生更大的阻力，造成冷卻液的流動速率不斷下降，對缸體外部的冷卻任務(wù)容易產(chǎn)生負面影響。同時在冷卻水套運行中的第四個缸體的部位明顯會出現(xiàn)較低的冷卻液流動，造成冷卻水套部分區(qū)域的熱量負擔加重，這便需不斷對發(fā)動機冷卻水套的設(shè)計優(yōu)化和完善，促使冷卻水套的整體冷卻效果得以提升。其具體的效果主要包括將冷卻水套的冷卻液進水口的位置下降，以免出現(xiàn)嚴重的外壁漩渦現(xiàn)象，能夠促使冷卻液在冷卻水套的外壁面保持單線流動的狀態(tài)。同時調(diào)整冷卻液水孔的結(jié)構(gòu)，由于冷卻水套排氣區(qū)域的圓形水孔處的冷卻液流量比較少，會使得冷卻水套排氣側(cè)其他部位的冷卻液流量同樣減少，因此要將這些水孔去除，同時對冷卻水套存在的26個氣孔一并予以去除，進而促進整個方案的優(yōu)化。經(jīng)過對修正過的汽車發(fā)動機冷卻水套設(shè)計優(yōu)化測試，冷卻液的流動速率會增加，這對于改善冷卻效果是具有很大幫助的。

4 結(jié) 論

隨著科學技術(shù)的進步，我國機械設(shè)備的性能在不斷提升，同時各種關(guān)于流體計算軟件以及計算機技術(shù)多方面的應(yīng)用，對CFD技術(shù)的完善和成熟具有重要的推動作用，當前 CFD 技術(shù)已經(jīng)成為汽車發(fā)動機冷卻水套設(shè)計中運用的關(guān)鍵技術(shù)手段。通過采取 CFD 技術(shù)對發(fā)動機冷卻水套的冷卻能力進行有效的分析，不斷找出其中存在的問題和影響因素，并且在冷卻水套的設(shè)計中不斷加以理論指導和實驗監(jiān)督，促進設(shè)計研究過程中不必要成本的減少，有利于研發(fā)周期減少，也是發(fā)動機冷卻水套研發(fā)的重要技術(shù)手段。

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[作者簡介]趙生虎，漢族，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，呼和浩特職業(yè)學院，教授，正高級工程師，研究方向：機械工程、汽車工程。endprint