CFD技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

[摘 要]當(dāng)今社會科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為人們的生活帶來了諸多便利，將軟件技術(shù)應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)械的冷卻水套的數(shù)值模擬，對模擬的結(jié)果精確分析，從而找出汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水套中存在的問題，同時(shí)通過CFD軟件系統(tǒng)對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行三維數(shù)值的模仿，并通過改善水套的冷卻效果，對水套的結(jié)構(gòu)有效調(diào)整，不斷對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的系統(tǒng)優(yōu)化，促使發(fā)動(dòng)機(jī)具備理想的機(jī)內(nèi)冷卻環(huán)境，通過CFD的計(jì)算結(jié)果確定冷卻水套的能力范圍，從而對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[關(guān)鍵詞]CFD技術(shù)；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；冷卻水套；優(yōu)化設(shè)計(jì)

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2018.03.142

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，汽車不斷更新?lián)Q代，汽車市場競爭日益激烈，汽車種類不斷增加，汽車的性能也在不斷得到改善，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的重要部分，發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程運(yùn)用冷卻水套CFD分析計(jì)算技術(shù)，對這一技術(shù)的應(yīng)用對發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備在熱負(fù)荷較高的排氣管道周邊設(shè)置冷卻液循環(huán)流動(dòng)，對發(fā)動(dòng)機(jī)減少壓力損失。通過系統(tǒng)分析影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套性能的原因，進(jìn)而逐漸促進(jìn)優(yōu)化，節(jié)約發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)成本。

1 CFD技術(shù)運(yùn)用流程

1.1 劃分運(yùn)算網(wǎng)格

CFD技術(shù)首先將司機(jī)需要計(jì)算的區(qū)域進(jìn)行劃分和離散化，劃分網(wǎng)格的質(zhì)量對計(jì)算的精確度和效率具有很重要的影響，CFD工程師在進(jìn)行CFD技術(shù)分析時(shí)，劃分網(wǎng)格的比重就占據(jù)了4/5的比重，占據(jù)分析過程的一大半時(shí)間，劃分網(wǎng)格需要在物理平面的基礎(chǔ)上適應(yīng)物理區(qū)域中各項(xiàng)參數(shù)變量的變化情況，對變化比較明顯且起伏比較大的網(wǎng)格分布區(qū)域盡量還要更細(xì)致化，而在變化相對平緩的區(qū)域劃分可以適當(dāng)稀松一些，根據(jù)不同區(qū)域的情況劃分的特點(diǎn)不同，在提高分析的精確度的同時(shí)，對網(wǎng)格的數(shù)量盡量減少，縮短技術(shù)分析計(jì)算的時(shí)間，同時(shí)，根據(jù)邊界條件離散化的要求，網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)該盡量做到網(wǎng)格線與物理區(qū)域的邊界線的交叉分布，更方便邊界數(shù)值的計(jì)算，同時(shí)也能夠防止網(wǎng)格的變形，對CFD技術(shù)的計(jì)算數(shù)值的精確度加以提升。

1.2 控制方程的設(shè)立

通過對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作原理的研究會發(fā)現(xiàn)，物體流動(dòng)會不斷受到物理守恒定律的影響和控制，基本的物理守恒定律主要是指質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律以及能量守恒定律等，控制方程式對基本的守恒定律的方程式描述，提供必要的計(jì)算方式，控制方程本質(zhì)上屬于數(shù)學(xué)描述，對汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套中CFD技術(shù)應(yīng)用的模擬計(jì)算實(shí)質(zhì)上是對控制方程求解的過程?？刂品匠痰木唧w求解可以表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)的體積質(zhì)量、時(shí)間、速度、通用變量、廣義擴(kuò)散系數(shù)以及廣義源項(xiàng)等方面的關(guān)系計(jì)算，（ρφ）|t+div（ρuφ）=div（Гgradφ）+S其中，ρ表示發(fā)動(dòng)機(jī)的體積質(zhì)量，t表示時(shí)間，u代表速度，φ表示通用變量，既可以代表速度，也可以代表溫度等變量，Γ表示廣義擴(kuò)散系數(shù)，在質(zhì)量守恒方程中結(jié)果為零。

1.3 求解模式設(shè)置

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的CFD技術(shù)分析主要采用的是迎風(fēng)離散格式和1階隱式格式離散時(shí)間項(xiàng)以及速度耦合算法等求解參數(shù)，將冷卻水套的內(nèi)部冷卻液主要設(shè)置為不可壓縮黏性湍流流動(dòng)，其模型主要是 k—zeta—f 方程模型。其目的首先主要是使混合壁避免附近邊界層流體速度和壓力分布進(jìn)行具體描述，而求解模式中設(shè)置邊界條件主要包括在出口邊界，應(yīng)符合壓力出口大氣壓作為出口壓力的條件；其次還需要入口邊界的進(jìn)口速率可根據(jù)缸體冷卻水套的冷卻液入口實(shí)際流量以及入口處的面積作為具體計(jì)算條件；最后發(fā)動(dòng)機(jī)的壁面需運(yùn)用具有防滑的作用，利用防滑性質(zhì)的移固壁，盡量保持固體外表流體的速率為零。求解模式中的限制條件還可以包含水泵渦形腔進(jìn)口邊界采用流量邊界條件，以及采取從油冷器流出進(jìn)入缸體水套的進(jìn)口等條件對求解模式進(jìn)行控制變量后求解運(yùn)算。

2 CFD技術(shù)計(jì)算結(jié)果分析

2.1 計(jì)算結(jié)果總體分析

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套CFD技術(shù)的運(yùn)用中，汽油機(jī)冷卻水流場中的速度場合溫度場以及壓力場等參數(shù)具有相互作用的關(guān)系，因此需要首先運(yùn)用必要的流場參數(shù)，對流場中的各個(gè)參數(shù)加以總結(jié)對比。根據(jù)具體的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作情況可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)作的過程中整個(gè)冷卻水套的速度場分布情況存在跟大差異，冷卻效果也存在著很大的不同。從發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)作的原理上來說發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套屬于多缸機(jī)流動(dòng)分配，這種流動(dòng)分配的方式主要是從缸套進(jìn)入通過一定的缸墊孔面積調(diào)整流入的具體流量，最后由缸頭流出，對具體的流量控制根據(jù)汽車的性能以及發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算。這種調(diào)節(jié)要求越接近水套入口的時(shí)候氣缸端部的水流流量越大，這主要是因?yàn)?，氣缸的冷卻水主要來自氣缸缸體，同時(shí)距離水套入口越遠(yuǎn)的氣缸頭部通過的具體流入的流量就會越少，這是因?yàn)楦最^的冷卻水的流量來自源上游缸頭。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套多缸機(jī)流動(dòng)分配

2.2 流動(dòng)模擬化結(jié)果

首先，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套中的冷卻液在進(jìn)入之后，因進(jìn)入之前所受到的水泵等其他因素的影響促使冷卻液的流動(dòng)并不是單一的直線流動(dòng)，主要是因?yàn)楦左w冷卻水套外部存在的冷卻液不能夠完全沿缸體進(jìn)行橫向、單一方向的流動(dòng)，而是首先流到缸體下底面再流動(dòng)到缸體的上方，這就使得冷卻液在水套外壁面的位置出現(xiàn)漩渦，這就直接對冷卻水套液體流動(dòng)構(gòu)成一定的阻力，冷卻液如果在冷卻水套外壁的流動(dòng)速度降低就會對自身的冷卻效果不斷降低。其次，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的冷卻水套也會受到溫度的影響，由于冷卻水套的溫度并不是均勻分布的，冷卻水套的排氣區(qū)域的氣溫高于其他區(qū)域的氣溫。最后，缸體冷卻水套頂平面及底平面的速度在不同的流動(dòng)區(qū)域的速度也不相同，一般情況下，冷卻液在缸體水套的上頂部流動(dòng)時(shí)速度是相當(dāng)快速的。但是，當(dāng)冷卻液到達(dá)缸體冷卻水套的下底部的時(shí)候，冷卻液的流動(dòng)速率就會變得遲緩，甚至冷卻液的流動(dòng)速度有可能會下降到零，而冷卻液在進(jìn)氣一側(cè)的流動(dòng)速率會一直低于排氣區(qū)域的流動(dòng)速率。具體研究觀察可以發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備冷卻水套中的冷卻液在缸體頂端的流動(dòng)速度高于底部流動(dòng)速度。endprint

圖2 流動(dòng)模擬化

3 CFD技術(shù)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套優(yōu)化方案

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的模擬運(yùn)行中可以發(fā)現(xiàn)，由于冷卻液在冷卻水套的首缸體外壁面容易產(chǎn)生漩渦狀況，會對冷卻水套內(nèi)部的冷卻液的流動(dòng)產(chǎn)生更大的阻力，造成冷卻液的流動(dòng)速率不斷下降，對缸體外部的冷卻任務(wù)容易產(chǎn)生負(fù)面影響。同時(shí)在冷卻水套運(yùn)行中的第四個(gè)缸體的部位明顯會出現(xiàn)較低的冷卻液流動(dòng)，造成冷卻水套部分區(qū)域的熱量負(fù)擔(dān)加重，這便需不斷對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的設(shè)計(jì)優(yōu)化和完善，促使冷卻水套的整體冷卻效果得以提升。其具體的效果主要包括將冷卻水套的冷卻液進(jìn)水口的位置下降，以免出現(xiàn)嚴(yán)重的外壁漩渦現(xiàn)象，能夠促使冷卻液在冷卻水套的外壁面保持單線流動(dòng)的狀態(tài)。同時(shí)調(diào)整冷卻液水孔的結(jié)構(gòu)，由于冷卻水套排氣區(qū)域的圓形水孔處的冷卻液流量比較少，會使得冷卻水套排氣側(cè)其他部位的冷卻液流量同樣減少，因此要將這些水孔去除，同時(shí)對冷卻水套存在的26個(gè)氣孔一并予以去除，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)方案的優(yōu)化。經(jīng)過對修正過的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套設(shè)計(jì)優(yōu)化測試，冷卻液的流動(dòng)速率會增加，這對于改善冷卻效果是具有很大幫助的。

4 結(jié) 論

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國機(jī)械設(shè)備的性能在不斷提升，同時(shí)各種關(guān)于流體計(jì)算軟件以及計(jì)算機(jī)技術(shù)多方面的應(yīng)用，對CFD技術(shù)的完善和成熟具有重要的推動(dòng)作用，當(dāng)前 CFD 技術(shù)已經(jīng)成為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套設(shè)計(jì)中運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)手段。通過采取 CFD 技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的冷卻能力進(jìn)行有效的分析，不斷找出其中存在的問題和影響因素，并且在冷卻水套的設(shè)計(jì)中不斷加以理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)監(jiān)督，促進(jìn)設(shè)計(jì)研究過程中不必要成本的減少，有利于研發(fā)周期減少，也是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套研發(fā)的重要技術(shù)手段。

參考文獻(xiàn)：

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[作者簡介]趙生虎，漢族，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，呼和浩特職業(yè)學(xué)院，教授，正高級工程師，研究方向：機(jī)械工程、汽車工程。endprint