發(fā)動(dòng)機(jī)缸體冷卻水套的CFD分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究

王勛

摘要：在本文的分析過(guò)程中，主要采用FLUENT軟件，對(duì)某國(guó)產(chǎn)的四缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中的缸體冷卻水套進(jìn)行相應(yīng)的研究，以此建立出數(shù)值模擬的研究體系。通過(guò)對(duì)模擬數(shù)值的相關(guān)研究，可以有效的對(duì)現(xiàn)階段發(fā)動(dòng)機(jī)缸體冷卻水套的不足進(jìn)行優(yōu)化處理，進(jìn)而能夠在使用的過(guò)程中，有著較高的使用性能。同時(shí)也是充分保障在未來(lái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，有著較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

Abstract： In the analysis process of this paper， FLUENT software was mainly used to conduct corresponding research on the cylinder cooling jacket of a domestic four-cylinder gasoline engine， so as to establish the research system of numerical simulation. Through the relevant research of simulation value， the shortage of cooling water jacket of engine cylinder block can be effectively optimized at present， so as to have a higher performance in the process of use. At the same time， it also fully guarantees the high structural stability in the future design process.

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī);冷卻水套;數(shù)值模擬;幾何模型

Key words： engine;cooling water jacket;numerical simulation;the geometric model

中圖分類號(hào)：TK414.23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0022-02

0? 引言

對(duì)于現(xiàn)階段所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套而言，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中往往存在著一定的不足之處，因此需要針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)缸體冷卻水套，在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，例如可以通過(guò)數(shù)值模擬的方式，進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)性優(yōu)化和改進(jìn)，從而在對(duì)其日后的深入研究中，提供可靠的數(shù)據(jù)參考。

1? 研究背景

在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程，冷卻水套一直都是重要的組成部分，一個(gè)良好合理的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套，可以依賴結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，在高溫區(qū)域進(jìn)行高效率的冷卻液流動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)了良好的傳熱作用。這樣就會(huì)讓這些高熱區(qū)域，有著較低的熱負(fù)荷。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，只有不會(huì)出現(xiàn)較高的溫度，才可以進(jìn)一步的保障發(fā)動(dòng)機(jī)能夠有著較高的可靠性和穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段，人們普遍采用對(duì)流體力學(xué)方面的計(jì)算分析，能夠很好的解決涉及到三維流動(dòng)方面的問(wèn)題。在過(guò)去的研究分析中，需要采用大量的試驗(yàn)，形成流動(dòng)信息數(shù)據(jù)，這樣便可以通過(guò)相關(guān)軟件，進(jìn)行模擬計(jì)算分析。同時(shí)加上CFD技術(shù)的使用，可以很好的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套性能進(jìn)行分析，進(jìn)而幫助相關(guān)研究人員，能夠省下大量的時(shí)間和精力，保障可以從理論方面著手，進(jìn)行試驗(yàn)的指導(dǎo)，避免在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析的過(guò)程中，出現(xiàn)盲目實(shí)驗(yàn)的可能性。

2? 模型的建立

2.1 建立幾何模型以及計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模型

在本文的分析過(guò)程中，主要針對(duì)某品牌的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)中缸體冷卻水套，進(jìn)行細(xì)致的研究和分析。而進(jìn)行的幾何模型的建立，通常請(qǐng)況下需要采用三維CAD軟件進(jìn)行執(zhí)行，以此能夠建立此相應(yīng)的模型，同時(shí)需要注意的是，由于在模型的建立中，有著較高的復(fù)雜程度，同時(shí)建立模型需要消耗大量的時(shí)間成本，為了不會(huì)對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生一定的影響，就需要對(duì)建立模型的過(guò)程中，進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化處理。

在建立出來(lái)的幾何模型當(dāng)中，需要通過(guò)UC軟件，采用STP的格式，形成相應(yīng)的模型文件。之后還需要使用FLUENT軟件，通過(guò)軟件當(dāng)中的網(wǎng)格，對(duì)其發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的冷卻水套，進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，在對(duì)其冷卻水套進(jìn)行劃分的過(guò)程中，需要在表面采用三角形的網(wǎng)格劃分，而在流動(dòng)區(qū)域內(nèi)的處理上，則需要采用四面體的網(wǎng)格方式進(jìn)行劃分。而對(duì)整個(gè)冷卻水套的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的過(guò)程中，則需要采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格分析模式，在貼近發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套避免的位置，需要對(duì)其附面層網(wǎng)格的方式進(jìn)行處理，而在距離壁面較遠(yuǎn)的位置，則需要使用四面體網(wǎng)格單元的方式，以此形成較為復(fù)雜的三維空間域。并且，在分析的過(guò)程中，還需要結(jié)合起發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套當(dāng)中，流動(dòng)參數(shù)的影響，使得對(duì)一些流動(dòng)性比較大的位置，需要采用網(wǎng)格加密控制的方式進(jìn)行分析。

2.2 算法以及邊界條件

在冷卻液的選擇上，本試驗(yàn)主要采用水與乙二醇的混合溶液，并通過(guò)穩(wěn)態(tài)的計(jì)算模式方式進(jìn)行分析。在穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算的過(guò)程中，需要讓冷卻液在水套當(dāng)中的流動(dòng)狀態(tài)，保障處于絕熱以及不可壓的粘性湍流流動(dòng)當(dāng)中。使得可以在進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中能夠，通過(guò)有限體積的方法，將其需要計(jì)算的區(qū)域，進(jìn)行離散控制體系網(wǎng)格的劃分研究。這樣就可以很好的控制單位體積上的積分。而在之后的模擬計(jì)算工程中，可以通過(guò)注入計(jì)算變量等方式，進(jìn)行相應(yīng)的模型分析計(jì)算。

其中，在入口便捷的位置，需控制好進(jìn)口的速度，大體上依據(jù)缸體冷卻水套，在冷卻入口處的實(shí)際速度，進(jìn)行調(diào)整。而在出口邊界的條件下，則需要使得出口邊界條件，能夠很好的符合實(shí)際的壓力需求。

3? 流動(dòng)仿真模擬結(jié)果

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體冷卻水套表面的速度值

在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體冷卻水套內(nèi)表面，其實(shí)際的速度可以得到準(zhǔn)確的測(cè)量，以此在進(jìn)行分析的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)缸體冷卻水套的內(nèi)表面，在流動(dòng)速度上，有著不均勻的現(xiàn)象，在個(gè)別位置出現(xiàn)流速較大的問(wèn)題。同時(shí)，由于冷卻液是由1缸向著4缸進(jìn)行流動(dòng)的，使得在其中的冷卻液流速方面，不斷的進(jìn)行著速度的降低。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體冷卻水套外壁面速度

在外壁面的實(shí)際速度方面，與內(nèi)表面的實(shí)際速度有著相似的地方，但是不同的在于，外壁面的冷卻水套，相比較內(nèi)壁面有著較低的速度。因此，就會(huì)使得在進(jìn)氣側(cè)，使得冷卻液的實(shí)際流動(dòng)速度，稍微大于排氣側(cè)的實(shí)際速度值。特別是在第四缸的位置，有著明顯的速度變化。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體冷卻水套速度矢量

在當(dāng)冷卻液，流動(dòng)到了缸體的水套當(dāng)中的時(shí)候，由于在流動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)受到水泵葉輪的影響，使得不會(huì)出現(xiàn)單線流動(dòng)的情況，因此在其缸體冷卻水套當(dāng)中，并不是依據(jù)缸體的方向，進(jìn)行橫向的移動(dòng)。而是首先需要流動(dòng)到缸體的底部位置，之后在向缸體上方進(jìn)行流動(dòng)。因此，就會(huì)使得在流動(dòng)的過(guò)程中，出現(xiàn)了一定旋渦效應(yīng)。這樣就會(huì)使得在流動(dòng)的過(guò)程中，出現(xiàn)較大的流動(dòng)阻力。同時(shí)冷卻液在缸體的冷卻水套外壁面，出現(xiàn)流速的降低。

3.4 頂平面位置的速度

在發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)當(dāng)中，其冷卻液在其水套的底部位置時(shí)，有著較低的流動(dòng)速度，甚至在一些特殊位置下，有著近乎于零的流速。而在另一些位置上，冷卻液在進(jìn)氣側(cè)，則明顯的高于排氣側(cè)的流動(dòng)速度。

在缸體水套的頂部，其冷卻液有著較高的流動(dòng)速度，同時(shí)在四缸的位置上，能夠進(jìn)行流動(dòng)的速度為零，因此有著流動(dòng)速度不同的情況發(fā)生。

3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的溫度變化

最后可以通過(guò)軟件，對(duì)其發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的冷卻水套，進(jìn)行溫度方面的分析和模擬，可以發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，其溫度變現(xiàn)并不一致，有著較為不同的溫度變化，其中在缸體冷卻水套的排氣側(cè)，有著較高的溫度系數(shù)。同時(shí)，由于缸體冷卻水套，相比較四缸位置的流速較低，就使得其溫度相對(duì)較高。

4? 優(yōu)化分析

4.1 上水孔分析

在對(duì)其缸體冷水水套進(jìn)行分析的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在缸體冷卻水套的冷卻液，流向上水孔的時(shí)候，其一共有著24個(gè)上水孔。并且，之后在對(duì)其上水孔的冷卻液質(zhì)量進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，不同的上水孔位置，由于面積不一致，就使得在質(zhì)量流量分布的過(guò)程中，有著比較明顯的差異性。相比較各個(gè)不同的排氣道側(cè)的冷卻液，由于上水量位置，明顯相對(duì)均勻，聚會(huì)時(shí)在流量的過(guò)程中，有著較高的屬性，因此可以很好的進(jìn)行排氣。

4.2 優(yōu)化分案分析

在對(duì)其原發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中，進(jìn)行充分模擬分析后發(fā)現(xiàn)，其冷卻液在冷卻水套的流動(dòng)過(guò)程中，十分容易在外避免出現(xiàn)旋渦的問(wèn)題。一旦出現(xiàn)了旋渦，就會(huì)使得在缸體冷卻水套當(dāng)中，使得冷卻液的流動(dòng)產(chǎn)生一定的阻礙，嚴(yán)重降低了流動(dòng)速度，因此無(wú)法充分的發(fā)揮出冷卻液的作用。特別是在第四缸位置，由于冷卻液長(zhǎng)期保持著底流動(dòng)速度，就十分容易在局部位置，出現(xiàn)溫度更高的問(wèn)題，進(jìn)而使得發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效果受到一定程度的影響。因此需要針對(duì)這方面的問(wèn)題，進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，以此保障進(jìn)行優(yōu)化處理。

首先，需要針對(duì)缸體的冷卻水套，在冷卻液的入口位置，需要進(jìn)行高度的調(diào)整，可以將其降低大概15mm的位置。這樣的調(diào)整優(yōu)化方案下，可以很好的保障在冷卻液流動(dòng)的過(guò)程中，不會(huì)由于流動(dòng)速度的不均勻，而在外壁面出現(xiàn)旋渦的問(wèn)題，進(jìn)而保障冷卻液能夠在流動(dòng)的過(guò)程中，始終處于單線流動(dòng)的情況。

其次，還需要對(duì)缸體冷卻水套的冷卻液，在上水孔進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整。能夠保障有效的提升排氣側(cè)的冷區(qū)液流動(dòng)的質(zhì)量，同時(shí)避免出現(xiàn)流動(dòng)質(zhì)量的不均勻性問(wèn)題，進(jìn)而最大程度的讓缸體冷卻水套，能夠在上水孔位置進(jìn)行去除。通過(guò)這樣的優(yōu)化處理之后，使得可以很好的保障，在上水孔的分布當(dāng)中，有著合理性。

4.3 優(yōu)化方案比較

在對(duì)其優(yōu)化處理之后，需要與原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較分析。通過(guò)比較后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理后，能夠很好的提升冷區(qū)液的流動(dòng)速度。但是，雖然在第四缸位置上，流動(dòng)速度始終不足，對(duì)于原機(jī)型的效率之后，已經(jīng)有著明顯的提升。在缸體冷卻液水套的頂部位置，已經(jīng)有著較為明顯的提升。同時(shí)，對(duì)于缸體冷卻水套的頂部位置上，發(fā)揮出了最大的作用。同時(shí)在優(yōu)化處理之后，也有效的提升了缸體上水孔位置的流動(dòng)質(zhì)量。

在相關(guān)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化調(diào)整，使得發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的溫度不均勻問(wèn)題得到了控制，進(jìn)而保障運(yùn)行效率的有效提升。在這樣模型分析比較之后，使得對(duì)原本的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)性的改良，不僅僅能夠有效的緩解運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的諸多問(wèn)題，同時(shí)也是有效的提升冷卻液的作用，使得在發(fā)動(dòng)機(jī)的整體運(yùn)行過(guò)程中，始終保持著較高的冷卻效能。而對(duì)于產(chǎn)生的例如旋渦問(wèn)題，都可以通過(guò)這樣的優(yōu)化分析方法進(jìn)行調(diào)整，以此保障對(duì)低流速的區(qū)域，進(jìn)行合理的優(yōu)化調(diào)整，避免運(yùn)行中溫度控制不當(dāng)?shù)膯?wèn)題出現(xiàn)。

5? 總結(jié)

綜上所述，在本文的分析過(guò)程中，首先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體冷卻水套，進(jìn)行了CFD分析，之后則需要對(duì)模型當(dāng)中反應(yīng)的一些問(wèn)題，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)效果的觀察發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)能夠有效的進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的優(yōu)化和調(diào)整，進(jìn)而保障發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，有著較高的效率性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李春玲，范永奇，金天柱.某小排量歐6增壓柴油機(jī)冷卻水套CFD分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].汽車與新動(dòng)力，2018，1（02）：76-79.

[2]吳飛，李培杰，詹潔.冷熱沖擊工況下發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套傳熱分析[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2018（01）：73-77.

[3]齊洪飛，姜志永，王嬌.產(chǎn)品分析某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套CFD計(jì)算分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2016（12）：25-29.

[4]V.Kale，B.Raju，V.Dhiman，孫丹紅.自然吸氣直列3缸柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化[J].國(guó)外內(nèi)燃機(jī)，2017，47（06）：50-53.