yp ———流体中 P 点到壁面的距离 ; Cμ ———常数 ,取 0. 09 ; τw ———壁面剪切应力 。 1. 2 三维几何模型 该发动机缸体和缸盖水套的初步设计的具体方案为分 体式冷却结构 ,本文计算的冷却水套几何模型包括缸 体水套、缸垫水孔、缸盖水套 ,具体形式如图 1 所示。 水流从总入口进入水套 ,一部分流体通过位于第一缸 的上水孔进入缸盖水套 ,冷却缸盖后由出水管 1 流 出 ,而其余流体则顺次流过各缸体水套 ,并通过位于 第四缸上水孔流入缸盖出水管 2 ,随后流体在两出水 口处汇合后进入节温器。为了简化计算 ,本文忽略了 循环水泵对水套内冷却流体流动的影响 。
发动机是车辆的动力源 ,其工作可靠性在很大 程度上决定着车辆工作的可靠性 。而影响发动机工 作可靠性和耐久性的主要的因素之一就是热负荷 。如 果发动机受热零部件的温度过高 ,就有几率发生烧蚀 、 变形 、材料的硬度和强度急剧下降 ,以及润滑油膜被 破坏甚至结焦 ,从而失去工作上的能力 ; 或者由于活塞 顶 、气缸盖底部和阀座等处的温度梯度过大引起较 大的热应力 ,使零部件产生破坏 。因此 ,内燃机受热 零部件的适度冷却是极其必要的 。设计合理的冷却
摘 要 :根据某汽油发动机开发的需要 ,对机体 - 气缸盖水套结构可以进行了优化设计 ,以保证整 机的冷却要求 。利用商业 CFD 软件对初始冷却水套设计的具体方案进行计算 ,并对计算结果做多元化的分析 , 指出流场存在的问题 。根据分析提出三种优化方案 ,随后对优化方案进行计算 、比较 ,确定了最后 的水套结构 。从优化结果能够准确的看出 ,导流凸台和导流筋在水套结构优化的过程中起着重要的作用 。
水套不但可以对发动机零部件做到合理冷却 ,而且 能够在冷起动和运行工况下减少 CO 和 HC 污染物 排放 ,降低燃料消耗〔1〕。研究发动机机体及缸盖内 冷却水的流动状况的方法主要有数值模拟计算和实 验测试两种 。由于发动机冷却水套结构较为复杂 ,并且 封闭在发动机体的内部 ,不易观察和测量 ;另外在设 计初期 ,没有生产出样机时也没有办法进行实验测试 ,因 此冷却水三维流动的数值模拟成为优化设计阶段的 重要手段 ,其计算结果经试验验证 ,具有一定的准确 性和可靠性〔2〕,数值模拟计算在国内外发动机开发 过程中得到了广泛的应用〔3～6〕。
陈海波 ,于秀敏 ,袁兆成 (吉林大学汽车学院 ,吉林 长春 130025)
图 6 为缸体水套内表面换热系数云图。一般认 为, 水 套 热 负 荷 较 高 区 域 的 传 热 系 数 在 5 000 W/ (m2 ℃) 以上就可以满足冷却要求。从图中可 以看出排气侧各缸的传热系数较高 ,能够满足适度冷 却的要求 ,但是进气侧 2、3、4 缸明显传热系数较低 , 在实际运行过程中会造成冷却不足 ,传热系数的结果 与速度场的计算结果相一致。图 7 为缸盖下表面传 热系数云图 ,为了使云图表达得更加清楚 ,显示范围 的上限控制在了12 000 W/ (m2 ℃) ,从图中能够准确的看出 , 缸盖整体传热系数较高 ,能够很好的满足缸盖冷却的要求。
套初始方案进行 CFD 计算 ,分析速度场 、压力场 、流 量分配及换热结果 ,然后根据该结构水套流场的不 足 ,提出优化方案 ,并对优化方案进行计算分析 ,最 终确定较理想的水套结构方案 。
算 ,模拟过程采用非耦合隐式算法求解 ,二阶迎风格 式 。在模拟过程中求解如前所述的连续性方程 、动 量方程 、能量方程以及标准 k - ε湍流模型方程 。 1. 5 结果分析
图 3a 为优化前缸体水套流场速度矢量图 。根 据国外 CFD 计算经验 ,在负荷较高区域冷却水流速 高于0. 5 m/ s即可满足冷却要求 。图中深蓝域 为流速低于0. 5 m/ s的区域 ,从图中能够准确的看出缸体水 套大面积流速过低 ,尤其在进气侧更加严重 ,从图 4 流量分配示意图中能够准确的看出进气侧水流量分配很 低 ,这个结果与速度场的结果是一致的 。为了改善 这种状况 ,应该在水套入口处增加导流结构 ,使进气 侧与排气侧流量分配比例相当 ,从而减少两侧流场 的差异 。另外缸体水套水流断面过大也是造成流速 过低的重要原因 ,因此在之后优化水套结构时应尽 量减小水套的横断面积 ,使流场在现有流量不变的 前提下提高流速 。另外缸体在每缸之间的水套冷却 桥中 ,出现流动涡旋 ,这是因为该处流道的入口与出 口流通面积小而中间流通面积大 ,压力有突然变化 , 而且底面形状不规则造成的 ,但是由于加工方法的 原因 ,此处结构形状不能进行更改 ,但是可以对水套 其他部位结构进行优化 ,使进入冷却连桥的水量有 一定的增加 ,进而使此处的冷却达到要求 。图 3b 为 缸盖水套下表面流场速度矢量图 ,从图中能够准确的看出 , 缸盖在负荷较大的鼻梁区 、排气道附近 ,流速较高 , 流场分部较合理 。
由于发动机结构复杂 ,为了保证得到较高的网格质 量 ,本文采用应用广泛 、划分方便的四面体非结构化 网格 。另外 ,为了保证模拟计算的精度 ,对关键位置 处网格细化 ,并且在近壁面处增加了边界层网格 。 总体网格数约为 232 万 ,节点数约 66 万 ,网格模型 如图 2 所示 。
为53 kPa ,根据水套的设计经验可知 ,现有水套方案 的整体压降比较合理 。从图中能够准确的看出缸盖压降较 大 ,其压降水平对整机水套压降影响较大 。因此在 优化设计时 ,对机体水套结构的合理调整 ,不会使整 机水套压降增加很多 。
1. 4 边界条件及算法 本文水套设计的水量为160 L/ min ,冷却液选用
45 %水和 55 %乙二醇的混合液 。利用商业软件 Flu2 ent 进行模拟计算 ,边界条件 :入口采用流量入口条 件 ,出口采用自由出流条件 ,壁面条件设为绝热 ,即 研究冷态流体的单纯流动 。按照稳态办法来进行计
