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1、·36·內(nèi)燃機(jī)與配件某柴油機(jī)冷卻水套仿真分析SimulationAnalysisofaDieselEngineCoolingWaterJacket薄存志；張益鋒(浙江新柴股份有限公司)摘要：通過CFD軟件對某柴油機(jī)冷卻水套進(jìn)45-．z．維數(shù)值模擬，對其關(guān)鍵區(qū)域流場及換熱進(jìn)行分析。根據(jù)分析結(jié)果提出在當(dāng)前結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上對缸墊水孔進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化后的計算結(jié)果表明關(guān)鍵區(qū)域流速和換熱系數(shù)得到提高，能夠滿足散熱要求。關(guān)鍵詞：冷卻水套；CFD；優(yōu)化Keywords：coolingwaterjacket；CFD；optimize0引言缸蓋和缸體是內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零部件之一，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作過程中在承受較大的機(jī)
2、械負(fù)荷的同時，還承受極高的熱負(fù)荷，在某些設(shè)計不當(dāng)或冷卻不充分的地方就容易造成局部過熱，在熱疲勞的作用下很容易產(chǎn)生裂紋而造成失效。因此，冷卻水套結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，能夠加強(qiáng)對高溫區(qū)域的冷卻液流動，提高散熱能力，降低這些區(qū)域的熱負(fù)荷，有效提高發(fā)動機(jī)的可靠性和耐久性【11。計算流體力學(xué)(CFD)是目前解決三維流動問題的重要手段。由于發(fā)動機(jī)的冷卻水套結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又封閉在機(jī)體內(nèi)部，不易觀察和測量，故CFD目前已成為冷卻水套設(shè)計和分析過程中不可缺少的手段㈦。本文對某490型柴油機(jī)冷卻水套進(jìn)行CFD模擬分析，得到水套內(nèi)部水流分布和壁面換熱能力。主要對關(guān)重區(qū)域流速和整個流動系統(tǒng)的壓損進(jìn)行了分析，并針對原
3、設(shè)計方案進(jìn)行了優(yōu)化。1水套CFD模擬計算1．1計算原理計算中將冷卻水視為三維穩(wěn)態(tài)黏性不可壓縮流體的湍流流動，考慮液體內(nèi)部的傳熱和液體與壁面之間的換熱現(xiàn)象。數(shù)學(xué)模型主要包括：質(zhì)量、動量、能量守恒方程、湍流子模型和壁面?zhèn)鳠崮Ｐ?。工程上常用時均法求解平穩(wěn)的湍流流動【3】。1．2幾何模型和網(wǎng)格整個水套模型包括缸蓋水套、缸體水套以及缸墊水孔。進(jìn)水口布置在第1缸，冷卻水進(jìn)入缸體水套后通過缸體分水腔分配到4個缸中，出水口也布置在第1缸。缸墊水孔共10個，其中進(jìn)氣側(cè)僅2個，位于第4缸；排氣側(cè)8個。具體分布見圖1。由于水套幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，考慮使用混合網(wǎng)格，主體部分由六面體網(wǎng)格填充，以減少網(wǎng)格數(shù)量，尺寸
4、細(xì)小處使用四面體網(wǎng)格，以達(dá)到貼體的效果，更好地表征幾何形狀。在溫度、速度變化梯度大的區(qū)域減小網(wǎng)格尺寸，增加網(wǎng)格數(shù)量，進(jìn)而提高計算精度。為保證層網(wǎng)格順利劃分，在較窄的流體通道處，垂直于流速方向的網(wǎng)格數(shù)不小于三個。網(wǎng)格劃分時，對水套進(jìn)出口進(jìn)行拉伸，最終網(wǎng)格數(shù)量約224萬，其中六面體網(wǎng)格占總網(wǎng)格數(shù)的87％。1．3邊界條件仿真計算選定在發(fā)動機(jī)標(biāo)定工況下進(jìn)行，冷卻液為迸水口圖1水套幾何模型圖2水套網(wǎng)格模型n2l50％水和50％乙二醇混合液。采用穩(wěn)態(tài)計算模式，在仿真計算中認(rèn)為冷卻液在水套內(nèi)的流動狀態(tài)是不可壓的黏性湍流流動㈧。湍流模型選用k一∈一f湍流模型。采用標(biāo)；隹壁函數(shù)法來描述壁面附近邊界層
5、流體速度、壓力等分布。計算邊界為設(shè)置如下：①水套入口流量為130kg／min，溫度363K；②水套出口靜壓lbar；③缸蓋壁面溫度為393K；缸體壁面溫度為373K。1．4計算結(jié)果通過CFD計算得到水套的流速、換熱系數(shù)及壓力分布。速度云圖能夠識別出低流速區(qū)以及滯止區(qū)；缸墊孔流量可以反映流量分配情況；換熱系數(shù)的分布可直接用來評估水套的冷卻性能；壓力分布可顯示出壓力損失大的隱秘InternalCombustionEngine＆Parts·37·區(qū)域。1．4．1流速分布通過計算得到缸蓋流速分布，如圖3所示，由于在4缸進(jìn)氣側(cè)布置上水孔，且上水孔直通進(jìn)氣到下方，因此4缸進(jìn)氣道下方流速明顯高于
6、其他缸。而排氣側(cè)由于2、3、4缸排氣道下方也設(shè)置了上水孔，因此2、3、4缸排氣道下方流速要高，達(dá)到2m／s以上。在缸蓋底部，各缸進(jìn)排氣門問的鼻梁區(qū)流速在2m／s以上，能滿足該區(qū)域的冷卻要求。缸蓋鼻梁區(qū)單獨加工的水道直接通向噴油器安裝孔，加強(qiáng)了對該區(qū)域的冷卻。氣側(cè)圖3缸蓋流速分布缸體水套入水口位于1缸進(jìn)氣側(cè)，并通過分水腔分配到4個缸，分水腔與各缸接口偏向兩缸連接處，分水腔流速在lm／s以上。分水腔與各缸接口偏向兩缸連接處，因此缸體水套各缸右側(cè)(圖4)流速要高于左側(cè)。總體上，缸體水套上部流速在0．5m／s以上，基本滿足缸體冷卻需求，其中1缸上部流速相對較低。1．4．2壓損分布該水套總壓
7、壓損為38kPa，與同類機(jī)型相比，為正常水平。從圖中可以看出，主要的壓損發(fā)生在分水腔與缸體水套之間、缸體水套與缸蓋水套之間。(圖5)1．4．3流量分配表1為各上水孔的流量分配情況。進(jìn)、排氣側(cè)上水量之比為27．6％：72．4％，排氣側(cè)上水量高于進(jìn)氣側(cè)上水量。各缸上水量之比(1缸：2缸：3缸：4缸)為lO．6％：18．9％：18．2％：52．3％，其中4缸上水量最大，占總量52．3％。直接圖4缸體流速分布glow-T0talPre$sure[Pal’e+005106e+0
