某型發(fā)動機(jī)水套CFD分析

程文，王永華，于乾一，武海權(quán)

（長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

隨著人們對發(fā)動機(jī)小型化、高效率、低排放要求的提高，發(fā)動機(jī)缸體、缸蓋熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷也明顯增加[1]，發(fā)動機(jī)冷卻問題受到更多的關(guān)注。如果設(shè)計不當(dāng)，冷卻能力不足，會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性全面變差[2]。更易造成局部過熱，進(jìn)而由于熱疲勞（低周疲勞）而產(chǎn)生裂紋，造成失效。實踐表明鼻梁區(qū)所產(chǎn)生的裂紋大多數(shù)是由熱疲勞造成的。因此在設(shè)計缸體、缸蓋時要求保證冷卻充分，防止產(chǎn)生局部熱應(yīng)力過大的現(xiàn)象[3]。所以，增強(qiáng)或改善缸體、缸蓋的冷卻效果對于提高發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)，延長其使用壽命具有重要的意義。發(fā)動機(jī)水套結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用傳統(tǒng)試驗方法測量具有很大難度?，F(xiàn)代CFD技術(shù)伴隨著計算機(jī)技術(shù)、數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展得到了迅速的發(fā)展。基本原理是根據(jù)數(shù)值求解控制流體流動的微分方程，得到流體流動的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況。目前已經(jīng)成為企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)和相關(guān)科研院所進(jìn)行科研實踐的重要手段[4]。其在汽車工程中的應(yīng)用越來越廣泛，包括汽車產(chǎn)品的整車設(shè)計，汽車濾清器濾材仿真參數(shù)研究，汽車散熱器仿真研究，汽車空調(diào)系統(tǒng)除霜性能模擬分析等[5]。

故本文利用CFD技術(shù)分析研究某發(fā)動機(jī)冷卻水套的冷卻能力，通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)與計算結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)水套性能隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的規(guī)律，找出影響水套性能的主要因素，從而可以從理論上指導(dǎo)實驗工作，減少實驗的盲目性，能夠有效地縮短研發(fā)周期，節(jié)約研發(fā)成本[6-10]。

1 模型建立

采用三維建模軟件Pro/E建立發(fā)動機(jī)的整體水套模型。由于模型較為復(fù)雜，計算時間太長，在對模擬結(jié)果不會產(chǎn)生很大影響的前提下，對模型進(jìn)行一些簡化處理[11]，建立的發(fā)動機(jī)整體水套模型如圖1所示。為了消除夾具的干涉，對圓內(nèi)排氣管上水處進(jìn)行了改進(jìn)，左側(cè)缸體與缸蓋水套模型如圖2所示。網(wǎng)格劃分詳情如表1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)的整體水套模型

圖2 左側(cè)缸體與缸蓋水套模型

表1 網(wǎng)格劃分詳情

然后用ICEM軟件對冷卻水套進(jìn)行網(wǎng)格分析，冷卻水套表面采用三角形網(wǎng)格，流動區(qū)域采用四面體網(wǎng)格劃分，整個冷卻水套全部采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在靠近發(fā)動機(jī)冷卻水套壁面的區(qū)域附近采用附面層網(wǎng)格進(jìn)行處理，在遠(yuǎn)離壁面的地方采用四面體網(wǎng)格單元以適應(yīng)復(fù)雜的三維空間域，同時對流場中流動參數(shù)變化較大的地方進(jìn)行了必要的網(wǎng)格加密[12]。

2 物理模型及邊界條件

冷卻液選用水和乙二醇的1∶1混合液，采用穩(wěn)態(tài)的計算模式，在模擬計算過程中認(rèn)為冷卻液在水套內(nèi)的流動狀態(tài)是絕熱、不可壓的粘性湍流流動。采用FLUENT進(jìn)行計算分析，邊界條件為流量入口和流量出口，根據(jù)發(fā)動機(jī)相關(guān)零部件設(shè)計要求，入口邊界條件為水泵入口流量4.00784kg/s。缸蓋出水口流量135L/min，EGR系統(tǒng)冷卻水流量為40L/min。根據(jù)圖3A處入口面積可以求出入口速度。出口邊界條件基于冷卻液為不可壓縮液體，出口壓力約為大氣壓，這樣計算不會對結(jié)果造成較大影響。壁面采用無滑移固壁條件，即固體表面上流體的速度和紊流參數(shù)為0。物理模型及邊界條件設(shè)置如表2所示。

表2 物理模型及邊界條件設(shè)置

3 結(jié)果與分析

3.1 流速分布

（1）缸體水套

缸體水套的流速分布如圖3所示。從圖中可看出，整體水套流速較高，且比較均勻，只有2缸排氣側(cè)水套流速稍低，基本滿足冷卻要求。圖3A處為缸體水套冷卻液入口的位置，上端16孔為冷卻液末端流入缸蓋。由圖可知，在缸體冷卻水套速度分布比較不均勻，出水口的冷卻液流速相差較大，缸體內(nèi)各部分流速非常不圴勻，缸體水套下部的流動速度明顯低于上部。二三缸間的水套流動速度高達(dá)2.8m/s，而一缸前部和三缸后部流速低于0.2m/s。由于各缸孔間水套面積大，使大部分冷卻液通過缸孔間水套流向缸蓋水套，造成一缸前部和三缸后部流速低，流量小。使一缸和三缸冷卻效果較差，很容易出現(xiàn)缸孔局部過熱的情況。

圖3 缸體水套流速分布

（2）缸間斜水孔

缸間斜水孔流速分布如圖4所示，從圖中可以看出，缸間斜水孔流速在0.6m/s以上，可以滿足冷卻要求。

圖4 缸間斜水孔流速分布

（3）缸蓋水套

缸蓋水套流速分布如圖5所示，圖5上部出水孔為缸體冷卻液末端流入缸蓋，C處為缸蓋水套出水口末端流入水箱。由圖可知，缸蓋水套底部鼻梁區(qū)流速較高，冷卻液流速在2m/s以上，可以滿足冷卻需求；火花塞與鼻梁區(qū)之間冷卻液流速1缸較高，在1.5m/s以上，2、3缸局部稍低，冷卻液流速在1m/s左右；排氣歧管水套上部冷卻液流速較高，下部冷卻液流速較低。

圖5 缸蓋水套流速分布

（4）缸蓋排氣歧管水套

缸蓋排氣歧管水套流速分布如圖6所示。從圖中可以看出，上部冷卻液流速較高，下部冷卻液流速較低，需進(jìn)行改進(jìn)減小此孔的橫截面積。

圖6 缸蓋排氣歧管水套流速分布

（5）缸蓋下層水套排-排鼻梁區(qū)橫剖面

缸蓋下層水套排排鼻梁區(qū)流速分布如圖7所示。從圖中可看出缸蓋下層水套排排鼻梁區(qū)冷卻液流速較高，在2m/s以上，可以滿足冷卻需求。

圖7 缸蓋下層水套排排鼻梁區(qū)

（6）火花塞與排氣門之間水套剖面

火花塞與排氣門之間水套剖面圖如圖8所示。從圖中可看出1缸火花塞與排氣門之間水套剖面下部冷卻液流速可達(dá)1.5m/s以上，2、3缸火花塞與排氣門2之間冷卻液流速稍低，在1m/s左右，仍然可以滿足設(shè)計要求。

圖8 火花塞與排氣門之間水套剖面圖

3.2 整個水套流量分配

整個水套的流量分配如圖9所示，圖中可以看出，流量分布左側(cè)為51.7%，右側(cè)為48.3%，左側(cè)與右側(cè)冷卻流量分配比較均勻，滿足小于10%的經(jīng)驗值。

圖9 整個水套流量分布

3.3 總壓分布

水套總壓分布如圖10所示，水泵出水到缸蓋出水管出口的總壓降為0.519bar，滿足冷卻系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖10 總壓分布

4 結(jié)論

對于缸體水套：除了2缸排氣側(cè)缸體水套流速稍低外，缸體水套冷卻液流速整體較高，在1m/s左右；缸間斜水孔流速分布一致，在0.6m/s以上。

對于缸蓋水套：缸蓋水套底部鼻梁區(qū)流速較高，冷卻液流速在2m/s以上，可以滿足冷卻需求；火花塞與鼻梁區(qū)之間冷卻液流速1缸較高，在1.5m/s以上，2、3缸局部稍低，冷卻液流速在1m/s左右；排氣歧管水套上部冷卻液流速較高，下部冷卻液流速較低。

對于水套壓降結(jié)果：水泵出水到缸蓋出水管出口的總壓降為0.591bar，在合理范圍內(nèi)。

綜合來看，排氣歧管上水處水套結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對流場影響不大，雖然CFD計算原則上可以給出流動趨勢判斷和結(jié)構(gòu)上的建議，但是一方面本文所示的待優(yōu)化項受制于結(jié)構(gòu)限制，并且所關(guān)注的高熱負(fù)荷區(qū)（鼻梁區(qū)）流速仍在合理區(qū)間內(nèi)，風(fēng)險可控；另一方面，最終優(yōu)化方案仍需要結(jié)合溫度場有限元計算，所以暫不做結(jié)構(gòu)改動。