汽油机冷却水套的仿真分析_黄文河.pdf

年第 期汽油机冷却水套的仿真分析黄文河，方存光（沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳 ）摘要：冷却水套作为发动机冷却中的核心部件，在汽油机运行过程中应能提供稳定的、良好的冷却液来保证足够的冷却效果，为研究冷却水套的冷却性能，对某款增压式汽油发动机的冷却水套进行几何建模，进行了计算流体力学分析，评价其冷却指标，为后期结构优化提供数据支持。结果显示，冷却水套整体运行压力稳定，但第二、三缸缸盖区域、第四缸缸体区域冷却效果不足。关键词：汽油机；冷却水套；数值模拟；流体分析中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；作者简介：黄文河（），男，山东枣庄人，汉族，硕士研究生，主要从事汽车冷却水套结构设计研究。通讯作者：方存光（），男，副教授，博士，研究方向：汽车电子。引言发动机作 为 一 种 极 其 复 杂 的 机 械 系 统，对 于 处 于各种行驶工况 下 行 驶 的 汽 车 运 行 的 各 组 件 来 说，都 具有其适宜的工 作 环 境，这 种 良 好 的 工 作 环 境 下 一 方 面能够保证汽车 发 挥 其 最 好 的 性 能，另 一 方 面 也 能 够 提升汽车整车的使用寿命。随着社会发展对于汽车性能的要求不断提 高，消 费 者 对 于 性 能 和 经 济 性 的 双 重 要求，对于发动机设定输出功率提高，不可避免的提升了发动机整机的热负荷，经济性的提高很大程度上促进了汽车轻量化研究的诞生和发展，汽车内部各零部件其在材料方面和结构设计方面优化的更加极致，随之而来的就是潜在的风险一步步增加。因此，为保证发动机整体运行在良好的工作环境下，设计出一套结构合理、受热均匀、散热良好、符合国家排放标准的冷却水套就显得至关重要。随着二十 世 纪 五 十 年 代 信 息 技 术 飞 跃 式 发 展，应用领域的扩大，计算机流体数值模拟技术 （）应运而生，由于数值模拟在产品优化方面的 优 越 性，缩 短 了 工 程 实 际 问 题 的 开 发 周期，逐渐成为国 内 外 企 业 和 高 校 研 究 人 员 进 行 汽 柴 油机整机研究的主流方法。冷却水套的结构设计研究是在汽柴油机整体运行研究成熟的基础上逐渐受到国内外学者的广泛关注，研究方法以数值模拟技术开发，整机实验验 证 的 方 式 进 行。自 上 世 纪 末 期，研 究 人 员在冷却水套 研究和其附属零部件传热分析优化上取得了重大进展。本文基于 建立冷却水套的几何模型，进行流体域、壁面的网格划分和边界条件的设定，对冷却水套进行数值模拟分析，获取到的冷却液流速、壁面压力、对流换热系数等仿真结果，分析并确定流速不良和低换热区域。冷却水套整机模型的建立汽油机的冷却系统包括总水泵、进水总管，缸体水套、缸盖水套、出水总管、散热器等组件。汽油机冷却系统中，目标冷却水套为湿式冷却水套，缸体区域和缸盖区域采用串联结构，整个缸体区域与缸盖区域采用多个上水孔的方式进行连接。将通过 建立的汽油机冷却水套的三维模型导入 中的 中重新生成实体，使用 网格划分软件进行网格划分。本节在建立汽油机冷却水套离散模型选择的是适应性较高、对于复杂 曲 面 优 化 较 好 的 非 结 构 化 网 格 划 分 方式进行处理。网格模型的总网格数为 ，其中流体域网格数目为 ，边界层网格数目为 ，网格节点的数目为 。网格划分后，需 进 行 网 格质量的检查确保对后期数值模拟分析不会产生不当影响。图为冷却水套几何模型图，图为冷却水套上水孔截面图。DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.13.009内燃机与配件 图冷却水套几何模型图图冷却水套上水孔截面图计算模型边界条件的设定冷却水套数值模拟采用的时适应范围更为广泛的 乙二醇和 水混合而成的冷却液，这样的配比改变了冷却水中的蒸气压，使得冷却液冰点显著降低，在温度较低的实际工作环境中也能够保证汽油机的正常工作。表为目标冷却液的相关物理参数。表目标冷却液的工作特性参数参数名称数值冷却液密度 比热容（）导热系数 （）动力粘度 （）饱和压力 沸点 在本课题中，根据汽油机冷却水套的冷却液出口有少量压力存在和冷却液入口的流体速度已知的运行情况，故选用了方案的边界条件的设置方式，同时在数值模拟的计算过程中，要考虑冷却水的重力影响因素，设置重力加速度为 。在 求解器的设置模块中，为保证计算结果的准确性，调整计算的收敛精度为 。定 常 状 态 下 通 常 使 用 标 准 算 法 和 算法，为保证求解过程的求解精度和良好的收敛性，选用 算法，使用稳态求解模式和压力基求解器进行计算。冷却水套数值模拟分析目标冷却水套各区域壁面边界条件的设置参数如表所示。为了保证仿真结果的准确性，减少偶然性，仿真过程均重复进行三次。获取后的仿真结果导入到 中的 后处理软件中进行数据提取和分析。表冷却水套进出口边界条件设置参数表选用类型速度压力 辅助条件入口边界条件速度入口 湍流强度出口边界条件压力入口 湍流强度 冷却液流速分析汽油机冷却水套的速度的分布云图如图所示，对速度场云图分析可得：冷却液从水泵泵出流入进水总管后，冷却液的流速相对较高，达到 的极值，随后通过各缸之间通道和缸盖与缸体水套之间的上水孔，流经整个冷却水套。从整体上来看，冷却水套排气侧区域的冷却流速低于进气侧区域，整个冷却水套的冷却液的平均流速为 。从整体上来看，缸体水套和缸体水套中冷却液的流速随着缸号的增加递减，进水口壁面和第一缸的区域由于靠近进水口的原因，冷却液流速较高，平均流速达到了 以上，冷却效果较高；第四缸的缸盖流体区域的流速处于 左右，冷却效果较好。由于水套结构中冷却液受重力因素的影响，从纵向上来看，第二、第三缸缸盖水套区域的冷却液流速低于其他两缸缸盖水套的流速，平均流速为 。图汽油机冷却水套的速度分布云图冷却水套横截面的冷却液分布如图所示。对冷却缸套在方向横截面冷却液的速度场分布云图分析可得，随着冷却液的流动，第一缸到第四缸的流速逐渐降低，第四缸缸体区域由于远离冷却液进水口，区域流线稀疏。从整体上来看，排气侧的冷却液流速低于进气侧，与速度矢量图分布一致。在第三、四缸的交界处，冷却液流速较慢，冷却效果不足，后期的冷却缸套的结构优化要着重考虑。图冷却水套横截面速度云图 近壁面压力分析目标汽油机冷却水套作为一种湿式水套，在长时间的运行过程中水套与冷却液接触的壁面由于机械振动引起的冷却液压力不正常变化，使得冷却液中产生一定量的气泡后破裂。累计过后，接触表面就会被破坏成一些针状空洞，最终出现大量的较大空洞甚至裂纹，这种现象被称为穴蚀现象。这种穴蚀现象也是造成汽油机冷却水套寿命下降的主要原因之一。在无法避免穴蚀现象的前提下，在研究过程中要着重分析汽油机冷却水套的压力场，尽可能地降低在冷却系统的运行过程中的压力损失，维持冷却液在冷却水套中稳定流动和其数据处在正常范围内就显得至关重要。目标冷却水套压力分布如图所示。横截面冷却液压力分布如图所示。从整体压力云图分布可以以看出，从整体压力数据上分析，冷却液在冷却水套中流动的压力损失 ，整体压差相对较小，处在合理的经验压降范围内。区域近壁面压力均值如表所示。处于第一和第四缸的缸盖水套由于靠近出水口相对压力较小，差值为 和 ，相对较小能够保证汽油机的稳定运行。年第 期图冷却水套压力云图图冷却水套压力截面云图表汽油机冷却水套各区域近壁面压力均值区域压力 区域压力 一缸缸体 二缸缸体 三缸缸体 四缸缸体 一缸缸盖 二缸缸盖 三缸缸盖 四缸缸盖 对流换热系数分析传热学中，对流换热系数是指在稳定的传热条件下，壁面两侧的温度为单位差值（或）时，通过平方米面积传递的热量，是表示在发生对流换热现象的物体传热现象的重要指标。一般来说，汽油机冷却水套中的冷却液流速越快（在不超过流体阻力的临界值值）时，对流换热系数越 高。对 于 汽 油 机 的 高 负 荷 区 域，传 热 系 数 达 到 （）以上即可满足基本的冷却效果。进水侧、缸盖侧对流换热系数如图、图所示。对冷却水套对流换热系数进行分析，从整体上来看，换热系数由于冷却液流速较高的原因，在进出水孔壁面的数值较高，最大值为 （），平 均 对 流 换 热 系 数 为 （），但整体分布不均匀。各区域近壁面对流换热系数均值如表所示。根据云图和数据的综合分析缸体水套区域随着一缸到四缸换热系数逐渐降低，与冷却液速度矢量图的分布情况大致相同，第三缸和第四缸下部区域平均对流换热系数仅为 （）和 （），数值较低；缸盖水套区域，由于第一缸和第四缸缸盖区域靠近冷却液的出水口位置，其冷却液的流动速度较快，对流换 热 系 数 也 相 对 较 高，为 （）和 （），而第二、三缸对流换热系数相对较低，为 （）和 （）。图进水侧对流换热系数图缸盖侧对流换热系数表近壁面对流换热系数名称均值名称均值进水侧壁面 第三缸上部壁面 缸体底部壁面 第四缸下部壁面 第一缸下部壁面 第四缸上部壁面 第一缸上部壁面 第一缸缸盖壁面 第二缸下部壁面 第二缸缸盖壁面 第二缸上部壁面 第三缸缸盖壁面 第三缸下部壁面 第四缸缸盖壁面 结论冷却水套冷却液流速较稳定，未见流动死区；冷却液进入 水 套 后，中、中 高 工 况 速 度 升 高 到 和 ，平均流速为 和 ；冷却液通过上水孔和各缸连接处，流向整个冷却水套的过程中流速逐渐下降，第四缸缸体下部区域冷却液流速明显不足；在第一、四缸缸盖区域的冷却液流速较高，其余两缸的流速较低；压力场分布均匀稳定，中、中高工况运行压力损失为 和 ，进出水口压力差为 ，处在良好的压降范围内；对流换热系数方面，中、中高工况下平均换热系数为 （）和 （），冷却不足主要集中在第四缸下部区域，中、中高工况为 （）和 （），综上所述，冷却水套整体运行良好，冷却液分布不均部分区域仍存在冷却效果不足的问题。参考文献：孙俊花，张创科柴油机气水套热变形研究内燃机与配件，（）：赵永欢基于沸腾换热的柴油机冷却水套传热分析及优化 天津大学，王蕊，刘方圆，许庆峰等基于 的柴油机冷却水套性能 仿 真 分 析 优 化 内 燃 机，（）：谭礼斌，袁越锦，徐英英等发动机冷却水套流场及考虑沸腾的共轭传热分析陕西科技大学学报，（）：孙绍东，方存光，刘杰 发动机冷却水套 分析改进 沈阳理工大学学报，（），王萍，谭礼斌，黄灿摩托车发动机冷却水套流场特性及 结 构 改 进 科 技 和 产 业，（）：