柴油機(jī)冷卻水套的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法*

劉福水，閔祥芬，樊 豐，李向榮，郭良平

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081; 2.中國人民解放軍駐5460廠軍代室，石家莊 050081)

前言

隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提升，對冷卻系統(tǒng)的性能也提出了更高的要求。冷卻不足、冷卻過度或冷卻不均勻都會對柴油機(jī)的可靠性和使用壽命造成一定的影響，導(dǎo)致其工作性能下降，嚴(yán)重時(shí)甚至不能正常工作［1－3］。

冷卻水套內(nèi)冷卻水的三維流動直接影響柴油機(jī)的冷卻效率、高溫零件的熱負(fù)荷、整機(jī)的熱量分配和能量利用［4－5］。尤其對高強(qiáng)化多缸柴油機(jī)，各缸的冷卻均勻性也與上述性能息息相關(guān)。因此，在柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，冷卻水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常重要的環(huán)節(jié)。

目前，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)已經(jīng)成為柴油機(jī)冷卻水套性能研究的重要手段［6－7］。然而，單純地應(yīng)用CFD分析的方法對冷卻水套進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具有優(yōu)化方向不夠明確、工作量大和設(shè)計(jì)周期長的不足。

本文中將先進(jìn)的三維計(jì)算手段和經(jīng)典的理論分析方法相結(jié)合，提出了一種對水套進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效方法。

采用CFD商用軟件STAR-CCM+，對某型六缸柴油機(jī)冷卻水套進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，給出了水套缸蓋底平面的冷卻水速度分布情況，并對各缸冷卻水流量均勻性進(jìn)行了比較分析。針對各缸缸蓋冷卻水流量分配不均勻的現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析，根據(jù)冷卻水流量分配和壓力損失的關(guān)系，引入了流阻圖的概念。采用流阻分析的方法，通過改變各缸的上水孔尺寸達(dá)到流阻平衡，進(jìn)而調(diào)整各缸蓋冷卻水的流量分配?；诖朔椒?，對冷卻水套進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，通過改變不同的總進(jìn)口流量驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 冷卻水套幾何模型的建立

幾何形狀的準(zhǔn)確描述是模擬計(jì)算的重要前提。由于柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，很難保證建立的計(jì)算模型和實(shí)體模型完全一致，而且實(shí)體模型越復(fù)雜，計(jì)算所需的時(shí)間越長。因此，本文中在保證對數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果不產(chǎn)生很大影響的前提下，對實(shí)際的實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些簡化處理，如不考慮某些過渡圓角、倒角等細(xì)節(jié)，但對模型的關(guān)鍵位置(如缸蓋水套鼻梁區(qū))不作任何簡化。

研究對象為開發(fā)過程中的某型六缸柴油機(jī)冷卻水套。圖1為該柴油機(jī)冷卻水套幾何模型。

該柴油機(jī)采用缸體水套串聯(lián)式、缸蓋水套并聯(lián)式的冷卻水分配形式。即冷卻水先從自由端第1缸入水口進(jìn)入，大部分冷卻水依次流入各缸體水套(缸體水套之間由兩側(cè)的連通孔連接)，同時(shí)一部分冷卻水通過缸蓋上水孔獨(dú)立進(jìn)入各氣缸缸蓋水套，流經(jīng)缸蓋水套后全部匯入回水總管，回水總管出水口也位于自由端。

2 冷卻水套計(jì)算模型的建立

2.1 計(jì)算網(wǎng)格模型

將三維的CAD模型導(dǎo)入到Hypermesh軟件中進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，選擇基本網(wǎng)格尺寸為5mm，并對缸蓋鼻梁區(qū)、缸體上部等關(guān)鍵流動區(qū)域的網(wǎng)格加密。然后將stl格式的面網(wǎng)格模型導(dǎo)入STAR-CCM+中自動生成多面體網(wǎng)格。多面體網(wǎng)格不但可以使計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量大大減少，而且具有計(jì)算精度高、收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)。本文中冷卻水套模型劃分網(wǎng)格總數(shù)約為88萬。

2.2 計(jì)算初始和邊界條件

冷卻液為純凈水，溫度353K下對應(yīng)的動力黏度為3.551×10－4Pa·s。在數(shù)值計(jì)算中認(rèn)為冷卻水的流動狀態(tài)是三維不可壓的黏性湍流流動。采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算模式，利用分離式求解器進(jìn)行計(jì)算，湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。計(jì)算過程中，須求解連續(xù)性方程、動量方程、能量守恒方程和湍流模型方程。

入口邊界質(zhì)量流量取7.0kg/s。出口采用壓力邊界，根據(jù)以往的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，表壓為0.13MPa。

在計(jì)算中采用固定溫度邊界條件，假定缸蓋和缸體平均壁面溫度分別為393和373K。由于k-ε模型只適用于離開壁面一定距離的湍流區(qū)域，因此對于壁面附近的區(qū)域，采用Norris和Reynolds方程低雷諾數(shù)模型。

恰當(dāng)?shù)剡x擇計(jì)算初始條件可以加快收斂速度。本次計(jì)算中初始值假定:表壓為0.13MPa;溫度為300K;湍動能為0.01m2/s2;湍動能尺度為1mm;速度為u=v=w=0。

3 CFD計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 速度場分布

由于柴油機(jī)缸蓋底部，進(jìn)氣門座、排氣門座與噴油器之間的鼻梁區(qū)熱負(fù)荷很高，因此應(yīng)保證缸蓋鼻梁區(qū)冷卻水有良好的流動。由于排氣側(cè)的燃?xì)鉁囟容^高，因而對排氣門附近冷卻水流速要求更高。Ricardo公司推薦氣缸蓋排氣門鼻梁區(qū)流速為1.0～1.5m/s，進(jìn)氣門鼻梁區(qū)的流速為 0.5 ～1.0m/s［8］。

圖2為缸蓋底平面水流速度分布圖。由圖可見:排氣門鼻梁區(qū)比進(jìn)氣門鼻梁區(qū)冷卻水速度高;缸蓋底平面的平均流速為0.95m/s，雖高于工程限值0.5m/s，但局部區(qū)域的速度分布還存在一定的差異，尤其第6缸鼻梁區(qū)附近冷卻水速度偏低。

3.2 缸蓋冷卻水流量均勻性

針對各缸缸蓋底平面速度分布不均勻的現(xiàn)象，對各缸缸蓋分配的冷卻水流量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

定義各缸流量最大不均勻度為

式中:ηi為各缸流量占總流量的比例(i=1，2，…，6)為平均百分比。

圖3為各缸蓋冷卻水流量占總流量的比例。由圖可見:各缸蓋冷卻水流量分配十分不均勻;從第1缸到第6缸，各缸蓋分配的冷卻水流量逐漸遞減，第1缸蓋冷卻水流量占總流量的25%，第6缸蓋僅占12.8%，最大不均勻度達(dá)50%。說明大量的冷卻水沒有在缸體水套內(nèi)充分流動就通過缸蓋水套流出，造成第4、5、6缸冷卻水流動性極差。

3.3 壓力場分布

圖4為冷卻水套的壓力場分布圖。由圖可見，總體壓力損失為76.5kPa，且壓力損失主要發(fā)生在缸體和缸蓋之間，這主要是由于缸蓋上水孔截面突變導(dǎo)致節(jié)流作用造成的。

表1為各缸缸蓋的壓力損失值。由表可見，采用進(jìn)出口在同一端的方式，容易造成冷卻水流經(jīng)各缸缸蓋的流動阻力不平衡，進(jìn)而造成冷卻水流量分配不均勻。因此，在對水套進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)，要盡量保證冷卻水流經(jīng)各缸缸蓋的流動阻力平衡。

表1 各缸缸蓋壓力損失 kPa

4 冷卻水套的結(jié)構(gòu)改進(jìn)依據(jù)

4.1 各缸蓋冷卻水流量和壓力損失的關(guān)系

圖5為由計(jì)算數(shù)據(jù)擬合形成的各缸缸蓋冷卻水流量和壓力損失的關(guān)系曲線。

由圖可見，在各缸缸蓋上水孔尺寸一樣的情況下，各缸蓋冷卻水流量基本和壓力損失的開方成正比，即

式中:Qi為各缸缸蓋分配的冷卻水流量，kg/s，入口總流量Q=∑Qi;Δpi為各缸缸蓋入口和出口間的壓力損失，kPa。

式(2)與式(3)節(jié)流式流量計(jì)的流量公式［9］形式相吻合，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

式中:q為流量;K為流量系數(shù)，是與工作介質(zhì)的黏性和流道幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù);p1、p2為入口截面和出口截面的壓力;z1、z2為入口截面和出口截面的高度。

4.2 等效流阻方法的引入

由式(2)可知，若將流經(jīng)每缸缸體水套、上水孔、缸蓋水套和回水管的冷卻水流量看作電流，壓力損失的開方看作電壓，則每一部分可看作電阻，且阻值只和結(jié)構(gòu)有關(guān)，即

得到水套內(nèi)冷卻水流動的等效流阻圖，如圖6所示。

圖中:R缸體、R上水孔、R缸蓋和 R回水管分別代表缸體、上水孔、缸蓋和回水管的流阻。并假設(shè)6個(gè)缸的缸體、上水孔、缸蓋和回水管的流阻都對應(yīng)相等。

對圖6中總?cè)肟诤涂偝隹谥g的6個(gè)回路可建立壓力損失、流量和流阻的相關(guān)方程。

對于任意第i(i=1，2，…6)個(gè)回路，均滿足如下回路方程:

其中:

根據(jù)原模型的模擬計(jì)算結(jié)果，得到各缸缸蓋分配的冷卻水流量占總流量的比例，如圖3所示。具體數(shù)值如下:Q1=0.250Q;Q2=0.186Q;Q3=0.162Q;Q4=0.143Q;Q5=0.131Q;Q6=0.128Q。

對于每個(gè)回路，總?cè)肟诤涂偝隹谥g的壓力損失Δp是相同的。將上述結(jié)果分別代入到回路方程中，可以建立方程組。每兩個(gè)方程聯(lián)立求解，均可得到如下關(guān)系式:

解算后，取平均值，得

4.3 優(yōu)化目標(biāo)和求解過程

若想使各缸的流量分配均勻一致，則必須滿足:

在工程中，在達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)的前提下，對冷卻水套的結(jié)構(gòu)改動越少越好。因此，本次優(yōu)化過程，保持第6缸上水孔尺寸不變，則第6缸的流阻也保持不變，即

將優(yōu)化目標(biāo)對應(yīng)的各缸流量比例代入到回路方程中，依次解算則可以得到優(yōu)化目標(biāo)對應(yīng)的各缸流阻值。

優(yōu)化目標(biāo)對應(yīng)的各缸流阻如下:

即第1～6缸的相對流阻依次為 1.822、1.505、1.261、1.100、1.021、1.000。

由此可知，改變上水孔或者缸蓋的流阻值均可以達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，但由于缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工時(shí)間長，改變缸蓋尺寸會造成人力物力的大量浪費(fèi)，因此本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化只考慮改變上水孔的尺寸。

為了得到上水孔尺寸變化對流阻變化的影響規(guī)律，選取圖7所示的模型進(jìn)行CFD計(jì)算。設(shè)置進(jìn)口流量為1.167kg/s，出口壓力0.13MPa，得到的計(jì)算數(shù)據(jù)列于表2，并擬合出相對流阻和上水孔直徑的關(guān)系曲線，見圖8。

表2 計(jì)算數(shù)據(jù)

由此可以得到優(yōu)化目標(biāo)對應(yīng)的各缸缸蓋上水孔直徑，如表3所示。

表3 各缸缸蓋上水孔直徑

5 計(jì)算結(jié)果分析及改進(jìn)效果驗(yàn)證

根據(jù)表3提供的數(shù)據(jù)，各缸選用不同直徑的上水孔。由于是在原模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，為了更準(zhǔn)確地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)對冷卻性能提高的效果，采用與原模型相同的初始條件和邊界條件，啟用相同的計(jì)算模型。

5.1 改進(jìn)前后各缸蓋冷卻均勻性對比

圖9為改進(jìn)前后各缸蓋分配的流量占總流量比例的對比圖。

由圖可見，采用改變各缸的上水孔尺寸達(dá)到流阻平衡的方法，對冷卻水套進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)后各缸蓋冷卻水流量最大不均勻度由50%降低到4.6%，各缸蓋冷卻水流量分配不均勻性得到大幅改善。

5.2 速度場分布

圖10為改進(jìn)前后缸蓋底平面速度場分布對比圖。由計(jì)算結(jié)果可知，缸蓋底平面的平均流速達(dá)到1.01m/s，相對改進(jìn)前均有一定的提升，且各缸冷卻水流速相對更均勻。

圖11為改進(jìn)前后缸蓋鼻梁區(qū)冷卻水平均速度分布對比圖。由圖可見，與各缸缸蓋分配的流量分布相似，改進(jìn)后各缸鼻梁區(qū)冷卻水速度分布變得基本均勻。

5.3 壓力場分布

圖12為改進(jìn)后的水套整體壓力場分布。

由計(jì)算結(jié)果可知，總體壓力損失為99.9kPa。雖然相比改進(jìn)前有所增大，但現(xiàn)有的水泵仍然可以提供這么大的揚(yáng)程，因此可通過犧牲一定的壓力損失，以達(dá)到冷卻更均勻的效果。

5.4 不同入口流量下各缸的冷卻均勻性驗(yàn)證

改變不同的入口總流量(1.167、2.333、3.500、4.667、5.833和7.000kg/s)，分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。圖13為不同的總?cè)肟诹髁肯?，各缸冷卻水流量占總流量的比例分布圖。由圖可見，不同入口流量下的各缸冷卻水流量占的比例相差不大，進(jìn)一步驗(yàn)證了流阻分析方法的有效性。

6 結(jié)論

將先進(jìn)的三維計(jì)算手段和經(jīng)典的理論分析方法相結(jié)合，提出了一種對水套進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效方法，可為柴油機(jī)冷卻水套的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方向性指導(dǎo)，得到如下結(jié)果:

(1)采用進(jìn)出口在同一端的方式，容易造成各缸缸蓋冷卻水流量分配不均勻，必須通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來保證各缸冷卻均勻性;

(2)根據(jù)流量和壓差的關(guān)系，引入了流阻圖的概念，采用流阻分析的方法，理論上可以靈活地調(diào)整各缸蓋的流量分配，從而實(shí)現(xiàn)各缸冷卻水均勻分布;

(3)采用流阻分析的方法，通過改變上水孔尺寸實(shí)現(xiàn)了各缸蓋流量分配的均勻性，并通過改變不同的總進(jìn)口流量驗(yàn)證了該方法的有效性。

［1］蔣德明.高等內(nèi)燃機(jī)原理［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2002.

［2］周龍保，劉巽俊，高宗英.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］雷基林，申立中，陳志娥，等.臥式柴油機(jī)冷卻水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化與流動特性分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，42(11):20.

［4］白敏麗，呂繼祖，丁鐵心.六缸柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)流動與傳熱的數(shù)值模擬研究［J］.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2004，22(6).

［5］Kruger M，Poulsen K M，Mendes A S，et al.Numerical Analysis of Flow at Water Jacket of an Internal Combustion Engine［C］.SAE Paper 2008－01－0393.

［6］Siders J A，Tiuey D G.Optimizing Cooling System Performance U-sing Computer Simulation［C］.SAE Paper 971802.

［7］Liu Xunjun，Chen Qun，Li Jun，et al.Automotive Diesel Engine Water Jacket CFD Analysis［J］.Transactions of CSICE，2003，21(2):125－129.

［8］Ricardo Consulting Engineers Ltd.Ricardo VECTIS CFD Fundamental Theory［M］.UK:［s.n.］，2005.

［9］羅惕乾.流體力學(xué)［M］.北京.機(jī)械工業(yè)出版社，2007.