劉配勇，王軍，陳剛

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某K29T發(fā)電機(jī)組用V型柴油機(jī)水套仿真分析

劉配勇，王軍，陳剛

（江蘇康沃動(dòng)力科技股份有限公司，江蘇 昆山 215300）

K29T柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于發(fā)電站的發(fā)電機(jī)組，屬于重型大排量V型柴油機(jī)。由于對(duì)該平臺(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)存在部分設(shè)計(jì)變更，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻性能，需對(duì)冷卻水套結(jié)構(gòu)合理性進(jìn)行驗(yàn)證。利用CFD仿真技術(shù)對(duì)水套內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，得出了水套的流速、換熱系數(shù)以及壓力分布情況。通過(guò)評(píng)估，發(fā)動(dòng)機(jī)水套結(jié)構(gòu)合理，滿足冷卻要求，但存在優(yōu)化空間。通過(guò)局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，總壓損降低30.8%，降低了能耗。

冷卻水套；CFD；V型柴油機(jī)

前言

柴油機(jī)具有熱效率高、扭矩大等優(yōu)點(diǎn)，在各種動(dòng)力機(jī)械設(shè)備中應(yīng)用廣泛，尤其在工程機(jī)械領(lǐng)域占有重要地位。隨著柴油機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)其冷卻系統(tǒng)的研究也從未中斷。冷卻水套作為冷卻系統(tǒng)的重要部分，一直是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)的合理性直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性、經(jīng)濟(jì)型、及排放水平。對(duì)冷卻水套的研究手段主要有試驗(yàn)測(cè)試及模擬計(jì)算兩種方法。由于冷卻水套結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且位于機(jī)體缸蓋的內(nèi)部，很難詳細(xì)觀測(cè)水套的流動(dòng)分布，故通過(guò)測(cè)試手段對(duì)水套進(jìn)行研究有一定的限制和不便，同時(shí)存在成本高、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的快速發(fā)展，CFD技術(shù)（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）已經(jīng)成為研究流動(dòng)問(wèn)題的主要手段。將其應(yīng)用在冷卻水套的研究上可以帶來(lái)極大便利，并且經(jīng)過(guò)多年行業(yè)工程驗(yàn)證，其仿真結(jié)果可靠性較好，已經(jīng)成為內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)不可缺少的輔助工具[1-3]。

1 計(jì)算模型的創(chuàng)建

1.1 水套的幾何結(jié)構(gòu)

該發(fā)動(dòng)機(jī)共有12缸呈V型布置，由于左右結(jié)構(gòu)相同，顧只需選取一側(cè)水套進(jìn)行分析，這里選取1-6缸，如圖1所示。冷卻液的流動(dòng)路徑為從水套入口進(jìn)入分水管，分水管將冷卻液分配給各缸體，冷卻液從缸體水套經(jīng)上水孔進(jìn)入缸蓋水套，缸蓋水套的冷卻液匯集到集水管處，最終由水套出口流出。冷卻液是從機(jī)油冷卻器流出后進(jìn)入冷卻水套的，水套入口即為機(jī)油冷卻器出口。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)單側(cè)水套模型

圖2 水套的局部連接特征

1.2 網(wǎng)格劃分

利用三維造型軟件獲取水套幾何結(jié)構(gòu)后，導(dǎo)入流體仿真軟件。檢測(cè)并修復(fù)初始面網(wǎng)格，確保沒(méi)有自由邊、多重邊、多重點(diǎn)等網(wǎng)格問(wèn)題。并且對(duì)不同網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行命名及邊界類(lèi)型定義。首先進(jìn)行面網(wǎng)格重構(gòu)，再生成體網(wǎng)格。體網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格，多面體網(wǎng)格具有精度高、計(jì)算速度快、貼體性好等優(yōu)點(diǎn)。網(wǎng)格尺寸0.5mm-6mm，設(shè)置2層邊界層，其厚度為1.5mm。在熱負(fù)荷較高以及結(jié)構(gòu)突變部位，設(shè)置較小的網(wǎng)格尺寸，在非關(guān)鍵區(qū)域設(shè)置較大的網(wǎng)格尺寸。水套網(wǎng)格模型如圖3所示，總網(wǎng)格數(shù)約170萬(wàn)。

圖3 水套網(wǎng)格模型

1.3 邊界條件及物性參數(shù)

將水套入口設(shè)為質(zhì)量流量邊界，水套出口設(shè)為靜壓力邊界，其它均為壁面。入口流量設(shè)為474.7L/min，出口靜壓設(shè)為2.15bar。此數(shù)值來(lái)自一維冷卻系統(tǒng)計(jì)算的結(jié)果。并且對(duì)不同壁面區(qū)域進(jìn)行了壁溫定義，分水管壁溫100℃，缸體壁溫100℃，缸蓋壁溫120℃，集水管壁溫95℃，水套入口水溫設(shè)為88℃。冷卻液為50%的水和50%的乙二醇混合液，其物性參數(shù)如表1所示。

表1 冷卻液物理性質(zhì)參數(shù)

2 模擬結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得出冷卻液分配到各缸的流量，如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可知，從第一缸向第六缸，冷卻液流量逐漸遞減，第六缸流量最小。這是由于水套出口位于第一缸一側(cè)導(dǎo)致的。由于第六缸的流量最少，相對(duì)較容易出現(xiàn)冷卻風(fēng)險(xiǎn)，因此重點(diǎn)分析第六缸的冷卻情況。若流量最小的第六缸滿足冷卻要求，就認(rèn)為整個(gè)水套滿足冷卻要求。

表2 各缸流量分配對(duì)比

如圖4所示，為缸體水套的近壁面流速分布情況，為更清楚的觀測(cè)流速分布，將缸體的兩側(cè)一并列出。冷卻液經(jīng)分水管進(jìn)入缸體后，向兩側(cè)及上方流動(dòng)，經(jīng)四個(gè)上水孔流入缸蓋。通過(guò)流速分布圖可知，缸體水套上側(cè)流速較高，在上部?jī)?nèi)側(cè)近壁面流速達(dá)到1m/s水平。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，此流速可滿足缸體的冷卻要求。缸體流速分布總體是上部高，下部低。由于缸體的熱負(fù)荷也是上部高下部低，因此這種分布是合理的。在冷卻液入口對(duì)面一側(cè)的下部存在低流速區(qū)，但此區(qū)域的熱負(fù)荷也較低，因此無(wú)需對(duì)此處進(jìn)行優(yōu)化。

如圖5所示，為缸體水套的近壁面換熱系數(shù)分布情況，同樣將缸體兩側(cè)一并列出。換熱系數(shù)與流速成正相關(guān)，流速越大，換熱系數(shù)也會(huì)越大。由分布圖可知，除冷卻液入口附近外，換熱系數(shù)同樣是上部較高，在上部?jī)?nèi)側(cè)附近換熱系數(shù)達(dá)到6000w/m^2-k以上。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，此換熱系數(shù)水平可以滿足對(duì)缸體的冷卻要求。換熱系數(shù)總體分布規(guī)律與流速類(lèi)似，上部大于下部，符合熱負(fù)荷的分布情況。

圖5 缸體水套的近壁面換熱系數(shù)分布

缸體上部區(qū)域熱負(fù)荷較大，為進(jìn)一步詳細(xì)觀察此部分區(qū)域的流速分布情況，以缸體水套上端為基準(zhǔn)向下三個(gè)不同距離做截面，如圖6所示。在Y=0.03m截面處，流速總體較高，處于1m/s水平，可滿足此處換熱要求。由于Y=0.012m截面相對(duì)變寬，流速有所降低，但仍處于合理范圍內(nèi)。Y=0.05m截面附近熱負(fù)荷較低，流速也相對(duì)較低，但仍處于0.5m/s的水平可保證此處換熱。從三個(gè)截面處的流速分布可知，排氣側(cè)流速大于進(jìn)氣側(cè)，符合熱負(fù)荷的分布情況。

圖6 缸體上部不同截面處的流速分布

2.2 缸蓋水套

如圖7所示，為缸蓋水套的近壁面流速分布情況。由缸蓋底面的流速分布可知，鼻梁區(qū)附近區(qū)域的流速處于1m/s的水平，可滿足換熱要求。且排氣門(mén)附近流速大于進(jìn)氣門(mén)，符合熱負(fù)荷分布特征。由上水孔的分布位置可知，鼻梁區(qū)端部存在一上水孔，由缸體流入的冷卻液可直接沖入鼻梁區(qū)，進(jìn)而保證此處換熱。根據(jù)缸蓋側(cè)面流速分布可知，排氣側(cè)略大于進(jìn)氣側(cè)，分布合理。圖8為缸蓋水套的近壁面換熱系數(shù)分布圖，鼻梁區(qū)處換熱系數(shù)處于10000w/m^2-k水平，滿足換熱要求。根據(jù)缸蓋水套底面及側(cè)面的換熱系數(shù)分布可知，排氣側(cè)的換熱系數(shù)大于進(jìn)氣側(cè)，分布合理。

圖7 缸蓋水套的近壁面流速分布

圖8 缸蓋水套的近壁面換熱系數(shù)分布

2.3 水套壓力分布

圖9給出了整體水套的總壓分布情況，由于冷卻液流經(jīng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空間時(shí)，需要克服沿程損失及節(jié)流損失，總壓值從水套出口到入口逐漸升高[4]。圖10列出了不同部位的總壓損分布，由圖可知，水套入口與出口之間的壓力差值0.78bar即為水套整體總壓損，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，此值處于合理范圍。壓損最大的區(qū)段為上水孔到缸蓋與集水管連接孔之間，即缸蓋部位，其次為缸體。其它部位也存在一定比例的壓損，如分水管和集水管，但此部位的壓損對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻沒(méi)有幫助，反而會(huì)消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，可以適當(dāng)優(yōu)化。

圖9 整體水套總壓分布

圖10 不同位置之間的壓損對(duì)比

由圖11可知，在集水管與缸蓋連接位置處，以及分水管與缸體連接位置處存在明顯的局部壓力損失，這是由于連接處流通面積太小節(jié)流所致?？梢詫?duì)此位置進(jìn)行優(yōu)化，增大流動(dòng)面積，進(jìn)而改善發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻能力以及功率損失。

圖11 局部壓損分布示意圖

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為進(jìn)一步優(yōu)化水套結(jié)構(gòu)，可對(duì)水套的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖12所示。將缸蓋與集水管的連接孔向發(fā)動(dòng)機(jī)后端移動(dòng)5mm，增大此處的流通面積。將分水管與缸體連接孔直徑由原來(lái)的22mm增大為24mm，增大流通面積。

圖12 結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

由于所優(yōu)化的結(jié)構(gòu)位于缸蓋及缸體水套的外圍，所以不會(huì)改變?cè)械乃琢魉俜植?，同時(shí)由于水套總流量不變，顧不會(huì)影響水套冷卻水平。經(jīng)過(guò)計(jì)算，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，水套總壓損為0.54bar，相比于優(yōu)化前的0.78降低了30.8%，因此，可明顯降低水泵能耗，改善發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

利用流體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)可以詳細(xì)觀測(cè)水套的流速、換熱系數(shù)以及壓力的分布情況，可為水套結(jié)構(gòu)合理性的評(píng)估及優(yōu)化提供有力的支持。

缸體水套及缸蓋水套關(guān)鍵熱負(fù)荷區(qū)域的近壁面流速達(dá)到1m/s的水平，對(duì)流換熱系數(shù)達(dá)到6000w/m^2-k-10000w/m^2-k以上水平，可以滿足換熱要求。

在給定的冷卻液流量下，水套整體壓損處于合理范圍，但經(jīng)過(guò)局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，總壓損降低30.8%，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失。

[1] Franz J Laimbock, Gerhard Meister, Simon Grilc. CFD Applica-tion in Compact Engine Development[C].SAE Paper 982016.

[2] Jian Ye,Jim Covey,Daniel D.Agnew.Coolant Flow Optimization in aＲacing Cylinder Block and Head Using CFD Analysis and Tes-ting [C].SAE Paper 2004-01-3542.

[3] 高瑩,曹志浩,葛迪,等. KM48天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)水套的仿真與改進(jìn)[J]. 汽車(chē)工程,2014(36):833-837.

[4] 于玲紅.工程流體力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.1.

Simulation and analysis of water jacket in a v-type diesel engine named K29T that used for generator unit

Liu Peiyong, Wang Jun, Chen Gang

（Jiangsu Kangwo Power Technology Co., Ltd., Jiangsu KunShan 215300）

The K29T diesel engine is mainly used in generating sets of power stations, and is a heavy duty diesel engine with V shape and heavy discharge. Due to the optimization and upgrading of the engine of the platform, the engine structure has some design changes. In order to ensure the cooling performance of the engine, it is necessary to verify the rationality of the cooling water jacket structure. CFD simulation technology is used to calculate the internal flow field of water jacket，the flow rate, heat transfer coefficient and pressure distribution of water jacket were obtained. Through the evaluation, the engine water jacket structure is reasonable to meet the cooling requirements, but there is still space for optimization. By optimizing the local structure, the total pressure loss decreased by 30.8%, and the energy consumption was reduced.

cooling water jacket; CFD; V-type diesel engine

B

1671-7988(2018)18-108-04

U467

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1671-7988(2018)18-108-04

CLC NO.: U467

劉配勇，就職于江蘇康沃動(dòng)力科技股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.037