发动机缸盖冷却水套流场的分析及优化.pdf

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1、任超超张翠平牟红雨姜鹏：发动机缸盖冷却水套流场的分析及优化3发动机缸盖冷却水套流场的分析及优化任超超张翠平牟红雨姜鹏(太原理工大学)(摘要]利用CFD模拟计算软件fluent对汽油机缸盖冷却系统的流动和传热进行数值模拟，给出了汽油机气缸盖部分的冷却水腔内冷却液的流速分布、温度分布，为气缸体冷却水腔部分的优化改进设计提供了参考。根据计算结果对原机气缸体模型中不合理的地方作了相应的改进设计，在确保缸盖水腔内流动性能良好的前提下，改进设计后气缸盖内的流体流动和传热得到了较大的改善。[关键词]缸盖水套数值模拟优化U刖吾气缸盖作为发动机的关键零部件结构复杂工作过程中热负荷和

2、机械负荷都很高。在某些设计不当或冷却不充分的地方就容易造成局部过热，在高频热疲劳和低频热疲劳的作用下很容易产生裂纹而造成缸盖的失效。实践表明“鼻梁区”所产生的裂纹大多数是由热疲劳造成的。因此在设计气缸盖时要求对气缸盖进行合理、充分的冷却。防止因气缸盖温度过高或温度分布不均匀产生局部热应力过大的现象。应尽量使温度场均匀分布以减小热应力。所以．改善气缸盖的结构并以此来增强或改善气缸盖的冷却效果对于提高内燃机性能指标、延长其使用寿命具有重要的意义11031。本文以某四缸汽油发动机的冷却水套为研究对象，利用三维CAD软件UG建立了冷却水套的几何模型。并且在保证与原发动机冷

3、却水套结构尽可能一致的前提条件下，对其进行了必要的简化处理。本文提出两种发动机冷却水套的优化方案，并对优化后的发动机冷却水套流场进行了数值模拟计算。结果表明，优化后的发动机缸盖冷却水套内的冷却液流速得到较大幅度地提高．与此同时缸盖冷却水套流场的温度分布也更为均匀。1发动机冷却水套流场的数值模拟本文是以某型号汽油发动机冷却水套为研究对象，它属于直列四缸水冷式发动机．其主要技术参数如表3—1所示。表1-1发动机主要技术参数l缸径(Hun)行程(mml排量(L)瓜缩比最人功率(kW)转g(r／min)lI76．5871．610．2824500I1．1发动机缸盖冷却水套几

4、何模型的建立气缸盖结构复杂。曲面和不规则形状较多，统筹安排合理的造型步骤是很有必要的。首先从缸盖底面的火力面开始设计．确定出每个气缸上进气道和排气道以及喷油孔的相对位置。在这个过程中气道的建立尤为重要，它直接影响到缸盖鼻梁区的水套形状进而影响其冷却效果；接着以此为起点设计缸盖内模，补充细节特征：然后设计修改缸盖外模，完成了缸盖的造型工作161。圈1—1发动机缸盖的剖面模型4内燃机与配件2011年第2期圈1—2发动机缸盖冷却水套墨体模型圈简化缸盖模型：1．水套出水口只留出水流实际截面的尺寸。2．去掉进、排气门处、固定配气机构的螺栓孔。3．堵塞缸盖上的工艺孔，侧面缺口

5、等。在简化的缸盖模型中抽取水套模型。1．2发动机缸盖水套计算模型的网格划分田1—3发动机缸董冷却水誊网格圈在本文的工作中．几何模型通过UG软件输出STP格式的图形文件。然后应用FLUENT自带的网格生成软件GAMBIT分别对发动机缸盖冷却水套进行网格划分。发动机冷却水套表面采用三角形网格，流动区域采用四面体网格划分，整个冷却水套全部采用非结构化网格。这样做的好处有：①非结构化网格对网格节点的限制很弱。易于控制网格单元的大小、形状及网格节点的位置，使得网格对复杂外形的适应性增强：②非结构化网格中一个网格节点周围的网格点和网格单元的个数都不是固定的．因此可以方便地作自

6、适应计算，合理地分布网格的疏密。从而提高计算精度和节约计算时间15。1．3发动机冷却水套的计算边界条件设定本文中假定进口速度沿入口截面均匀分布，直接给出其速度值，水泵的流量约为180lJmin，人口速度为2．5m／s，入口相对压力为55kPa。出口边界认为湍流充分发展，取压力出口条件38kPa。壁面边界：认为缸内冷却液的流动是绝热不可压缩的湍流流动，因此壁面选用绝热边界条件，湍流模型选用标准K《模型。由于K《模型适用于离开壁面一定距离的湍流区域，对于壁面附近的区域也采用壁面函数法来处理川。本文发动机冷却水套所用的冷却液为50％水和50％乙二醇的混合液。冷却液的参数

7、，如密度、比热、导热系数等可以通过CFD中的用户函数输入。表1—2发动机缸盖冷却水套壁面边界条件壁面名称温度(K)火力面底板处的平均壁温383排气道内的平均壁温373进气道内的平均壁温363缸盖水套其余部分的平均壁温3732发动机缸盖冷却水套流场的计算结果与分析2．1发动机缸盖冷却水套的流场分析利用FLUENT软件的后处理器对缸盖冷却水套内的流场生成相关云图进行分析研究。任超超张翠平牟红雨姜鹏：发动机缸盖冷却水套流场的分析及优化5由图2—1发动机缸盖冷却水套外表面速度分布云图我们可以看出，缸盖冷却水套外表面的冷却液流速分布不均匀，在第三缸和第四缸附近的流速较大且在

8、排气侧的流