劉吉林 王宏大 王次安
摘 要:文章對(duì)比討論了三種確定節(jié)溫器主閥壓力值的方法,并通過實(shí)際分析計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。通過分析可知,使用一維分析的邊界進(jìn)行的三維計(jì)算可以得到更精確地壓力值。
關(guān)鍵詞:節(jié)溫器;仿真分析;Flowmaster
中圖分類號(hào):U464.138? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? 文章編號(hào):1671-7988(2019)04-123-02
引言
節(jié)溫器主閥兩側(cè)的壓力差,是設(shè)計(jì)節(jié)溫器的關(guān)鍵參數(shù)之一。為同步進(jìn)行零部件開發(fā),通常在沒有實(shí)物之前進(jìn)行仿真分析,初步估計(jì)節(jié)溫器主閥兩側(cè)的壓力值。該壓力值的精確計(jì)算有著重要意義。當(dāng)預(yù)估的壓力值過高,導(dǎo)致節(jié)溫器響應(yīng)緩慢;而預(yù)估值偏低又將產(chǎn)生泄露的問題。
為避免這類情況的發(fā)生,在分析過程中采用一維和三維的雙重分析,精確計(jì)算主閥兩側(cè)的壓力值。
1 分析方法探討
通常,在設(shè)計(jì)之初要確定節(jié)溫器兩側(cè)壓力差時(shí),都是參考冷卻水泵在額定點(diǎn)的揚(yáng)程數(shù)據(jù)。其理論依據(jù)是水泵是整個(gè)冷卻系統(tǒng)的壓力源,任何冷卻系統(tǒng)下級(jí)零件的壓力差都將低于水泵輸出的壓力差(即,揚(yáng)程)。而額定點(diǎn)通常又都是最高轉(zhuǎn)速,此時(shí)水泵確實(shí)也處于最高轉(zhuǎn)速。
這里需要注意的問題如下:其一,水泵額定點(diǎn)的性能參數(shù)實(shí)際上一條曲線,不同流量對(duì)應(yīng)不同的揚(yáng)程。其二,給定的額定點(diǎn)數(shù)據(jù),是額定轉(zhuǎn)速下大循環(huán)開啟后的水泵輸出數(shù)據(jù)。而給節(jié)溫器提供參數(shù)時(shí),節(jié)溫器并不開啟,此時(shí)水泵并不在額定點(diǎn)工作。這種情況下,水泵實(shí)際輸出的揚(yáng)程要高于大循環(huán)開啟后的揚(yáng)程。
此外,對(duì)于系列化平臺(tái)化的發(fā)動(dòng)機(jī),為了適應(yīng)各種改型產(chǎn)品,水泵對(duì)于具體的機(jī)型也不一定工作在最初的額定點(diǎn)上。
即使水泵額定點(diǎn)揚(yáng)程符合要求,要想得到節(jié)溫器主閥前后壓差,還需要減去水套的壓損、從發(fā)動(dòng)機(jī)出水口經(jīng)散熱器再到發(fā)動(dòng)機(jī)入水口這之間的靜壓損失。
所以直接以水泵額定點(diǎn)揚(yáng)程作為節(jié)溫器設(shè)計(jì)的輸入?yún)?shù)是一種過度設(shè)計(jì)的思路,并不能視為安全余量。這將使節(jié)溫器主閥彈簧剛度系數(shù)過大,造成響應(yīng)緩慢的問題。
分析節(jié)溫器主閥兩側(cè)壓差,需要建立冷卻系統(tǒng)分析模型,根據(jù)額定點(diǎn)小循環(huán)狀態(tài)下全系統(tǒng)的壓力分布進(jìn)行分析。
通常進(jìn)行冷卻系統(tǒng)分析的時(shí)候,都是建立冷卻系統(tǒng)一維分析模型。將冷卻系統(tǒng)抽象成管路、接頭、流阻塊和水泵。這樣可以提高分析速度,降低建模的復(fù)雜程度。按以往的分析經(jīng)驗(yàn)來看,一維分析的流量結(jié)果通常誤差很小,而節(jié)點(diǎn)壓力偏差較大。這是建模簡化帶來的必然結(jié)果,因?yàn)楦鞣N管路匯合或分離的腔體都不能精確轉(zhuǎn)化成分析元件,只能抽象成若干接頭的排列組合。
而使用三維軟件建模,如果建立全系統(tǒng)則工作量大且復(fù)雜,如果只建立節(jié)溫器局部又缺少邊界。
所以使用一維分析的流量結(jié)果作為邊界,再采用三維分析的方式建立節(jié)溫器閥座(含節(jié)溫器)的精確模型,而后進(jìn)行壓力分析,可以獲得較為理想的計(jì)算結(jié)果。
2 建模及數(shù)據(jù)處理
對(duì)于某款汽油發(fā)動(dòng)機(jī),為精確計(jì)算節(jié)溫器主閥壓差,建立全系統(tǒng)一維分析模型,如圖1。
分析工況定為額定轉(zhuǎn)速,小循環(huán)狀態(tài)。此時(shí),水泵轉(zhuǎn)速最高,系統(tǒng)總流阻最大,小循環(huán)狀態(tài)下節(jié)溫器關(guān)閉,節(jié)溫器閥前后壓差最大。讀取模型中節(jié)溫器閥座各個(gè)進(jìn)出口的流量數(shù)據(jù),各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)。
通過讀取的節(jié)點(diǎn)壓力數(shù)據(jù),已經(jīng)可以計(jì)算出節(jié)溫器前后的壓力差。該數(shù)值用于最終和三維分析的結(jié)果作對(duì)比。
節(jié)溫器閥座(含節(jié)溫器)的三維幾何數(shù)模如圖2所示。抽取內(nèi)腔作為流體分析對(duì)象。
將一維分析的各個(gè)入口的流量數(shù)據(jù)作為邊界,設(shè)置出口為壓力出口,計(jì)算整個(gè)流體區(qū)域的壓力分布。結(jié)果如圖3所示。
從上圖可知,小循環(huán)狀態(tài)下,節(jié)溫器下表面壓力值最大,顯著高于節(jié)溫器閥的上表面。而前文的一維分析無法得到這一差異,只有節(jié)溫器閥內(nèi)外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力值。
為獲取節(jié)溫器所受液體垂直向上的作用力,沿Y軸作積分運(yùn)算。從結(jié)果還可發(fā)現(xiàn),液體的剪切力對(duì)閥的壓差貢獻(xiàn)得很小,可忽略。
3 結(jié)論分析
三維積分的結(jié)果直接就是節(jié)溫器主閥兩側(cè)的壓差;一維結(jié)果只是壓力差,需要乘以閥體在Y方向的投影面積。結(jié)算結(jié)果如圖4所示。
如上圖,三維計(jì)算要低于一維計(jì)算結(jié)果,這是因?yàn)槿S分析有著更多的細(xì)節(jié),能夠更精確的反映出節(jié)溫器閥的幾何結(jié)構(gòu),而一維分析只能從節(jié)點(diǎn)總壓進(jìn)行計(jì)算,無法考慮前文圖3所展示的壓力分布。而直接根據(jù)水泵揚(yáng)程估算的壓力差最大。通過三維分析得到的結(jié)果比根據(jù)揚(yáng)程估算的結(jié)果要低25%。
4 結(jié)語
通過對(duì)比分析可知,采用三維分析可以更準(zhǔn)確的獲得節(jié)溫器主閥的壓力差。這將有利于提高閥門的響應(yīng)性,有利于冷卻系統(tǒng)的快速反應(yīng)。
參考文獻(xiàn)
[1] Flowmaster軟件參考文檔.
[2] 高巧,劉吉林等.某型號(hào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)分析及優(yōu)化[J].汽車實(shí)用技術(shù).2017(8), 129-131.