某柴油机冷却水套仿真分析.pdf

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1、·36·内燃机与配件某柴油机冷却水套仿真分析SimulationAnalysisofaDieselEngineCoolingWaterJacket薄存志；张益锋(浙江新柴股份有限公司)摘要：通过CFD软件对某柴油机冷却水套进45-．z．维数值模拟，对其关键区域流场及换热进行分析。根据分析结果提出在当前结构基础上对缸垫水孔进行调整，优化后的计算结果表明关键区域流速和换热系数得到提高，能够满足散热要求。关键词：冷却水套；CFD；优化Keywords：coolingwaterjacket；CFD；optimize0引言缸盖和缸体是内燃机关键零部件之一，其结构复杂，工作过程中在承受较大的机

2、械负荷的同时，还承受极高的热负荷，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，在热疲劳的作用下很容易产生裂纹而造成失效。因此，冷却水套结构的合理设计，能够加强对高温区域的冷却液流动，提高散热能力，降低这些区域的热负荷，有效提高发动机的可靠性和耐久性【11。计算流体力学(CFD)是目前解决三维流动问题的重要手段。由于发动机的冷却水套结构复杂，又封闭在机体内部，不易观察和测量，故CFD目前已成为冷却水套设计和分析过程中不可缺少的手段㈦。本文对某490型柴油机冷却水套进行CFD模拟分析，得到水套内部水流分布和壁面换热能力。主要对关重区域流速和整个流动系统的压损进行了分析，并针对原

3、设计方案进行了优化。1水套CFD模拟计算1．1计算原理计算中将冷却水视为三维稳态黏性不可压缩流体的湍流流动，考虑液体内部的传热和液体与壁面之间的换热现象。数学模型主要包括：质量、动量、能量守恒方程、湍流子模型和壁面传热模型。工程上常用时均法求解平稳的湍流流动【3】。1．2几何模型和网格整个水套模型包括缸盖水套、缸体水套以及缸垫水孔。进水口布置在第1缸，冷却水进入缸体水套后通过缸体分水腔分配到4个缸中，出水口也布置在第1缸。缸垫水孔共10个，其中进气侧仅2个，位于第4缸；排气侧8个。具体分布见图1。由于水套几何结构复杂，考虑使用混合网格，主体部分由六面体网格填充，以减少网格数量，尺寸

4、细小处使用四面体网格，以达到贴体的效果，更好地表征几何形状。在温度、速度变化梯度大的区域减小网格尺寸，增加网格数量，进而提高计算精度。为保证层网格顺利划分，在较窄的流体通道处，垂直于流速方向的网格数不小于三个。网格划分时，对水套进出口进行拉伸，最终网格数量约224万，其中六面体网格占总网格数的87％。1．3边界条件仿真计算选定在发动机标定工况下进行，冷却液为迸水口图1水套几何模型图2水套网格模型n2l50％水和50％乙二醇混合液。采用稳态计算模式，在仿真计算中认为冷却液在水套内的流动状态是不可压的黏性湍流流动㈧。湍流模型选用k一∈一f湍流模型。采用标；隹壁函数法来描述壁面附近边界层

5、流体速度、压力等分布。计算边界为设置如下：①水套入口流量为130kg／min，温度363K；②水套出口静压lbar；③缸盖壁面温度为393K；缸体壁面温度为373K。1．4计算结果通过CFD计算得到水套的流速、换热系数及压力分布。速度云图能够识别出低流速区以及滞止区；缸垫孔流量可以反映流量分配情况；换热系数的分布可直接用来评估水套的冷却性能；压力分布可显示出压力损失大的隐秘InternalCombustionEngine＆Parts·37·区域。1．4．1流速分布通过计算得到缸盖流速分布，如图3所示，由于在4缸进气侧布置上水孔，且上水孔直通进气到下方，因此4缸进气道下方流速明显高于

6、其他缸。而排气侧由于2、3、4缸排气道下方也设置了上水孔，因此2、3、4缸排气道下方流速要高，达到2m／s以上。在缸盖底部，各缸进排气门问的鼻梁区流速在2m／s以上，能满足该区域的冷却要求。缸盖鼻梁区单独加工的水道直接通向喷油器安装孔，加强了对该区域的冷却。气侧图3缸盖流速分布缸体水套入水口位于1缸进气侧，并通过分水腔分配到4个缸，分水腔与各缸接口偏向两缸连接处，分水腔流速在lm／s以上。分水腔与各缸接口偏向两缸连接处，因此缸体水套各缸右侧(图4)流速要高于左侧。总体上，缸体水套上部流速在0．5m／s以上，基本满足缸体冷却需求，其中1缸上部流速相对较低。1．4．2压损分布该水套总压

7、压损为38kPa，与同类机型相比，为正常水平。从图中可以看出，主要的压损发生在分水腔与缸体水套之间、缸体水套与缸盖水套之间。(图5)1．4．3流量分配表1为各上水孔的流量分配情况。进、排气侧上水量之比为27．6％：72．4％，排气侧上水量高于进气侧上水量。各缸上水量之比(1缸：2缸：3缸：4缸)为lO．6％：18．9％：18．2％：52．3％，其中4缸上水量最大，占总量52．3％。直接图4缸体流速分布glow-T0talPre$sure[Pal’e+005106e+0