某发动机冷却水套优化设计.pdf

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1、第3l卷第3期2014年6月内燃机与动力装置I．c．E＆PowerplantV01．31No．3Jun．2014【模拟计算】某发动机冷却水套优化设计杨攀。许涛。阮仁字，张良超(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥230601)摘要：本文通过CFD软件FIRE对某发动机的冷却水套模型进行了三维数值模拟，得到了水套流场的压力场分布以及速度场分布。通过对两种方案进行对比，发现方案二的压力损失更低，且流速更快，其散热效果更好，因此选择方案二作为最终方案。关键词：CFD；冷却水套；优化中图分类号：TK402文献标志码：A文章编号

2、：1673—6397(2014)03—0040—03OptimizationDesignofEngineCoolingJacketYANGPan，XUTao，RUANRen—yu，ZHANGLiang—chao(AnhuiJianghuaiAutomobileCo，．Ltd．，Hefei230601，China)Abstract：Thispaperestablishedthe3D—numericalsimulationofaenginecoolingjacketmod—elusingFIREsoftwareandob

3、tainspressureandvelocitydistributionsofthewaterjacket．Comparedtotwosolutions，thesecondisfoundmuchbetterbecauseofitslowpressureloss，fastflowvelocityandeffectiveheatradiation．KeyWords：CFD；CoolingWaterJacket；Optimization引言冷却水套是发动机的重要组成部分，主要用于将发动机燃烧产生的热量通过冷却液的流动带走，

4、并向发动机外发散，从而保证发动机在所有工况下都能够在一个合理的温度下稳定的工作。尤其是燃烧室、气门鼻梁区等发动机高温区域，如何有效地降低这些区域的热负荷，直接由冷却水套设计的优劣来决定‘1。。CFD技术由于其成本低、周期短、计算精度高，且可视性强等特点，已经被越来越多的应用于工程设计中心J。本文将借助于CFD软件FIRE对发动机冷却水套进行数值分析，并找出最优方案。1冷却水套设计方案整个冷却水套模型包括水泵(由于厂家无法提供叶片模型，故该水泵模型只由叶片外部和水泵壳体之间的涡形空腔)、缸盖水套、缸体水套以及气缸垫水套

5、(如图1所示)。该模型包括一个进水口(水泵涡形空腔的进口)和两个出口(出水口以及流向暖风的出口)。图1冷却水套几何模型为了改善冷却液在水套中的流动分布，本文共设计了两种方案，由于缸体、缸盖较为复杂，其水套模型不易更改，因此，本文仅针对气缸垫进行设计变更。图2为两种设计方案，其中方案二在发动机靠近后端作者简介：杨攀(1987一)，男，湖北襄阳人，助理工程师，主要研究方向为发动机设计。收稿日期：2014—03—052014年第3期杨攀，等：某发动机冷却水套优化设计的气缸垫水孔比方案一的大(图中圆圈所示)。2CFD分析2．

6、1冷却液的物理属性计算介质选择50％乙二醇／50％纯水的混合物，其物理属性如下：密度：1026．89kg／m。粘度：0．00076kg／m·s比热容：2415J／kg·K导热率：0．415W／m-K由于计算过程中冷却液的温度变化不大，因此假设其物理属性保持不变。2．2设置求解模型对于冷却水套的CFD分析来说，主要是考查其在发动机额定工况条件下的散热能力，因此，计算模式选择稳态计算模式。计算时考虑冷却液的粘度，将冷却液的流动设定为不可压缩的粘性湍流流动。数值算法选择CFD计算最常用的SILMPLE算法。湍流模型是CFD

7、计算中最核心的步骤，湍流模型的真实程度从根本上来说决定着数值模拟的精确程度。本文中选择k—zeta—f湍流方程，因为此方程为四方程的湍流方程，不仅计算精度较高，而且计算时间较少。相对应的壁面处理选择混合壁处理。2．3设置边界条件a)水泵涡形腔进口边界采用流量边界条件，取发动机标定工况下的水泵流量值188L／min，进水温度为368K；b)出水口采用压力边界条件，取压力值为2．8bar；e)为保证连续性方程，在流向暖风的出口设置梯度为零。2．4设置收敛准则对于稳态问题的求解，往往要通过对次迭代才能得到精确解。在迭代过程

8、中，容易出现解的振荡或是发散，因此，需要对解的收敛性随时进行监视，并在系统达到指定精度后，结束迭代过程。对于水套这类CFD计算而言，一般都设定残差小于10～，若计算达到此要求，则认为计算收敛。另外，还要实时监视诸如出口压力、流量、温度等相关的量，以防计算出现伪收敛。3分析结果3．1总压分布●I^，_方案图3冷却水套总压分布石图图3为整个水套流场