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0 概述

計(jì)算流體力學(xué)(CFD)是1項(xiàng)用數(shù)值計(jì)算方法直接求解流動(dòng)主控方程以發(fā)現(xiàn)各種流動(dòng)現(xiàn)象規(guī)律的技術(shù)。CFD計(jì)算分析能夠在試驗(yàn)很難涉及的深度和精度上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，為產(chǎn)品開發(fā)和故障分析等工作提供流速、壓力、流量分布以及換熱系數(shù)等必需的參考數(shù)據(jù)或邊界條件，用于指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)。計(jì)算流體力學(xué)已經(jīng)成為精確分析發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)以及燃燒換熱過程等的有效手段，可以有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少試驗(yàn)次數(shù)，降低時(shí)間和成本。本文根據(jù)CFD分析及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)某小排量歐6排放柴油機(jī)冷卻水套進(jìn)行了仿真和分析，同時(shí)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[1]。

1 CFD分析方法論

水套CFD的分析方法，包括換熱性能分析、流通性能分析、溫度均勻性分析、水孔流量分配分析等。其中換熱性能分析考慮的最重要的2個(gè)參數(shù)為對(duì)流換熱系數(shù)和冷卻液流速。流通性能分析考慮的最重要的2個(gè)參數(shù)為壓力降和速度場(chǎng)。溫度均勻性分析主要是針對(duì)縱式結(jié)構(gòu)的水套設(shè)計(jì)，冷卻液多采用縱向流動(dòng)方式，冷卻液從缸體前端進(jìn)入，向后依次流經(jīng)各缸直至最后一缸，之后再從各缸向上流入氣缸蓋，然后從氣缸蓋后端流出。這種水套設(shè)計(jì)易于出現(xiàn)各缸溫度場(chǎng)分布不均引起較大的熱應(yīng)力。該文中水套結(jié)構(gòu)為分體冷卻，其缸體水套和缸蓋水套之間是不相通的，即從水泵出來的冷卻液在水泵出口就分成2路，分別流入缸體和缸蓋水套，然后再從各自的出口分別流出，整個(gè)流動(dòng)過程中，這兩股冷卻液并不摻混。并且缸蓋水套的流動(dòng)方式又為橫式結(jié)構(gòu)，即在缸體長(zhǎng)度方向有總布水道，同時(shí)流入各缸。因此對(duì)水套溫度均勻性的分析不納入研究對(duì)象中。水孔流量分配分析即為水孔流量分配需要滿足排氣側(cè)總流量為進(jìn)氣側(cè)總流量的幾倍以上，對(duì)于不同排量的發(fā)動(dòng)機(jī)及各公司都有不同的標(biāo)準(zhǔn)。研究中水套水孔均布置在排氣側(cè)，因此水孔流量分配分析也不納入研究對(duì)象。

綜合研究的水套的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，主要研究換熱性能分析及流通性能分析。通過CFD方法來預(yù)測(cè)換熱性能、流通性能，以滿足工程標(biāo)準(zhǔn)。

2 CFD分析結(jié)果

圖1 缸蓋水套結(jié)構(gòu)

發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)冷卻液的流動(dòng)形式通常設(shè)計(jì)為縱向流動(dòng)、橫向流動(dòng)和混合流動(dòng)3種。近年來出現(xiàn)了分體冷卻的冷卻方式，即缸體水套和缸蓋水套內(nèi)冷卻液流動(dòng)是2個(gè)相互獨(dú)立的流動(dòng)形式。本文中所研究的水套即為分體冷卻式，其結(jié)構(gòu)見圖1。

水套CFD分析一般選取最大功率點(diǎn)。由于最大功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速不是唯一，應(yīng)選取最大功率對(duì)應(yīng)的最小轉(zhuǎn)速，因?yàn)楣β氏嗤D(zhuǎn)速最低泵水最少，熱負(fù)荷就最大，水套工作環(huán)境最惡劣。選取了3 600 r/min最大功率點(diǎn)作為CFD分析工況。

圖2 缸體水套

換熱性能分析考慮的最重要的2個(gè)參數(shù)為對(duì)流換熱系數(shù)和冷卻液流速。缸蓋水套下芯的對(duì)流換熱系數(shù)分布如圖3所示。

圖3 缸蓋水套下芯對(duì)流換熱系數(shù)圖

從圖3中可以看出，排氣鼻梁區(qū)及周圍熱負(fù)荷高的區(qū)域?qū)α鲹Q熱系數(shù)達(dá)到10 000 W/(m2·K)，滿足設(shè)計(jì)要求。缸體水套的對(duì)流系數(shù)分布如圖4。

圖4 缸體水套對(duì)流換熱系數(shù)圖

從圖中可以看出，上止點(diǎn)區(qū)域及水套孔達(dá)到6 000 W/(m2·K)，滿足設(shè)計(jì)要求。

換熱性能分析考慮的另一個(gè)重要的參數(shù)為冷卻液流速。缸蓋水套下芯的速度場(chǎng)分布如圖5所示，

圖5 缸蓋水套下芯速度場(chǎng)圖

從圖5圖6中可以看出，排氣鼻梁區(qū)及周圍熱負(fù)荷高的區(qū)域速度達(dá)到2 m/s，滿足設(shè)計(jì)要求。圖7示出了缸體水套的速度分布。

圖6 缸蓋水套下芯速度場(chǎng)一缸鼻梁區(qū)切片圖

圖7 缸體水套速度場(chǎng)圖

從圖7中可以看出，上止點(diǎn)區(qū)域流速達(dá)到了0.5 m/s，滿足設(shè)計(jì)要求。綜合缸體缸蓋水套對(duì)流換熱系數(shù)結(jié)果及流速結(jié)果，可以判斷該水套的設(shè)計(jì)滿足換熱性能的要求。

流通性能分析考慮的最重要的2個(gè)參數(shù)為壓力降和速度場(chǎng)。其中，速度場(chǎng)為觀察速度矢量圖，水道通暢，不得有存儲(chǔ)氣泡的死區(qū)及盡量避免渦流死區(qū)，以免造成局部過熱。關(guān)于壓力降的研究，各公司有不同的標(biāo)準(zhǔn)及其側(cè)重點(diǎn)，水套作為冷卻系統(tǒng)的組成部分，其壓降大小對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的影響。韓國(guó)GGS公司設(shè)計(jì)的水套沒有分析壓力損失，可見壓力損失是比較次要的，首要的是考慮冷卻。平時(shí)計(jì)算的水套壓力損失的標(biāo)準(zhǔn)僅供參考。奧地利AVL公司提出過對(duì)于水套的壓力損失沒有特別的要求，目前需要在滿足流速的前提下，盡量地減小壓力損失，以降低水泵的消耗功率。缸蓋水套整體壓力場(chǎng)分布如圖8所示。

圖8 缸蓋水套壓力場(chǎng)分布圖

缸蓋水套壓力降為0.042 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。缸體水套壓力場(chǎng)分布如圖9所示。缸體水套壓力降為0.017 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。綜合以上缸體缸蓋水套壓力降結(jié)果，可以判斷該水套的設(shè)計(jì)滿足流通性能的要求。

圖9 缸體水套壓力場(chǎng)分布圖

3 CFD分析結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中，CAE分析和試驗(yàn)都是存在一定的誤差，但完整的流程可以確保CAE分析結(jié)果可信可靠。只要是在正確的流程下完成的CAE分析，就是可信的。因此本研究中水套的采用了CFD仿真與臺(tái)架試驗(yàn)相結(jié)合的方式。

由于測(cè)試條件等限制，臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試缸體水套進(jìn)出口壓力，冷卻液使用50%乙二醇水溶液，溫度為攝氏10 ℃。為了做出對(duì)比，對(duì)CFD進(jìn)行了重新計(jì)算，設(shè)置10 ℃乙二醇水溶的密度及黏度等。由于傳感器的布置，CFD計(jì)算模型包含了水泵內(nèi)芯、節(jié)溫器內(nèi)芯，主要是為了使機(jī)體水套在臺(tái)架上的測(cè)試點(diǎn)可以跟CFD計(jì)算數(shù)模有相對(duì)應(yīng)的位置，使數(shù)據(jù)具有可比性。

圖10 臺(tái)架試驗(yàn)機(jī)體

圖11 包含了水泵內(nèi)芯，節(jié)溫器內(nèi)芯的缸體水套數(shù)模

圖12顯示試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果差值在20%以內(nèi)。隨著流量的增加，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與CFD結(jié)果差值越大。但是趨勢(shì)保持一致。差別的原因在于，CFD結(jié)果的一些誤差，臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試條件及測(cè)試誤差等等。

圖12 臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)(藍(lán)色曲線)和CFD仿真數(shù)據(jù)(紅色曲線)

4 水套設(shè)計(jì)的改進(jìn)

通過臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)合水泵節(jié)溫器內(nèi)芯的水套CFD分析，結(jié)果表明水泵與水套連接處的壓損過大，將會(huì)對(duì)冷卻系統(tǒng)的壓降產(chǎn)生一定的影響。因此，為了降低水泵水套連接處的壓損，做了以下設(shè)計(jì)優(yōu)化(圖13，圖14)。

圖13 水泵出口進(jìn)入缸體缸蓋水套

從表1中可以看出優(yōu)化后的設(shè)計(jì)，壓力降X1至13處均有較大的優(yōu)化，壓力降比原設(shè)計(jì)小13～15 kPa。

[1]王立強(qiáng)，劉立軍，張順鈺.汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)水套部分CFD分析[J].輕型汽車技術(shù)，2009，(1/2)：233-234.

表1 壓力降統(tǒng)計(jì)

圖14 水泵水套連接處及水泵內(nèi)芯的改進(jìn)

[2]Angadi B M, Anandkumar M, Nagathan V V, et al. Modelling and analysis of intake manifold of a multi-cylinder SI engine[J]. International Journal of Conceptions on Mechanical and Civil Engineering, 2003, 1(1): 2357-2760.

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