某气缸盖冷却水腔数值模拟与结构优化研究.pdf

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1、8内燃机与配件2010年第6期某气缸盖冷却水腔数值模拟与结构优化研究Numericalsimulationandoptimizationstudyonconfigurationofcoolingwaterjacketinsomecylinderhead李斌崔国起吴华杰(天津大学内燃机研究所天津市天大银泰科技有限公司)[摘要]以某高功率密度柴油机气缸盖冷却水腔为原型，采用计算流体动力学(CFD)方法对其做了详细的三维流动与换热数值模拟．然后对水腔内流速与水腔壁面换热系数做了详细的分析，在此基础上对水腔结构提

2、出了3种不同的改进方案并进行数值模拟．比较计算结果发现。3种改进模型平均对流换热系数大幅提高，最低也可达到28．8％，最后，从流场分布的合理，l生出发，选定改进方案3作为最终优化方案，其平均对流换热系数提高35．2％，压降降低15．9％。[关键词]冷却水腔数值模拟对流换热系数速度场O引言作为一种能实现热功转化的动力机械，内燃机在工作中涉及复杂的传热和传质过程，这使得传热研究成为内燃机整机研究与开发过程中最根本也是最重要的环节之一。现代内燃机功率密度越来越大。热负荷不断增加，传热过程的研究在内燃机研究和开发

3、中起着越来越重要的作用。气缸盖是与内燃机燃烧室相连的零部件。是燃烧室冷却的主要传热途径之一，它本身也是内燃机中结构最复杂、机械负荷和热负荷最高的零部件之一．它的传热问题，是内燃机设计成败的关键性问题。对气缸盖冷却水腔的数值模拟研究国外开展较早．1989年。KevinL．等利用高速摄像技术在室温下进行可视化试验得出气缸盖内流动的整体情况。然后对“鼻梁”区采取对称假设．并采用层流模型进行二维数值模拟．虽然其计算结果偏差较大．但毕竟为后面的研究指明了方向l“。1994年，以某直列6缸柴油机为原型．MarkD．M

4、oeckel运用商业软件FLOTRAN对其冷却系统进行了分析．并在室温下进行了台架试验。然后对冷却系统进行修改。用CFD计算展示了冷却液分布的改善情况121。2004年通用公司针对某款赛车发动机．利用FLUENT进行了室温下冷却水流场的纯流动数值模拟．并通过发动机台架试验．测量气缸套壁面和气门阀座等处的温度。比较不同进水口方案和不同气缸盖垫片方案组合时流动性能的差异。并分析了流动情况对传热的大致影响，通过结构优化来实现更好的冷却效果131。国内较早对内燃机冷却系统进行数值模拟研究的是1994年装甲兵T程学

5、院的王书义、王宪成等人对发动机冷却水三维流动的数值模拟方法进行的基础性研究141。1997年，潘克煜等研究了倒拖工况下直喷式柴油机气缸盖近壁气流速度场的分布规律，并利用一维传热模型计算了气缸盖近壁的热边界层，研究发现气缸盖近壁不同位置的速度边界层和热边界层是不同的，但数量级相同15I。2005年，张强、李娜等使用FIRE对WD615普及型欧III排放柴油机的冷却水腔进行了CFD模拟．并对冷却水腔内整体流动均匀性、冷却液流速和换热系数进行了详细分析圈。综上可见，对气缸盖冷却水腔的研究主要还停留在探索方面．尚

6、未形成有效的较为通用的冷却水腔的设计方法，因此对于具体问题还需寻找相应具体的设计优化方法。特别是对于高功率密度内燃机气缸盖，因特殊原困更是鲜有报道。本文以某款高功率密度柴油机的冷却水腔为李斌崔国起吴华杰：某气缸盖冷却水腔数值模拟与结构优化研究9原型，对其做了详细的三维流动与换热数值模拟研究，然后对火力面附近的流速与换热系数做了详细的分析．在此基础上对水腔结构提出了不同的改进方案并进行了优劣比较，得出了较好的水腔结构。1物理问题与计算区域本文所研究的水腔原型如图l所示。下方为气缸盖火力面位置．冷却水垂直于火

7、力面由气缸盖下方进人。吸收气缸盖热量后由上方流出。气缸盖的热负荷由缸内燃烧气体提供．主要分布在火力面上，因此火力面换热能力的强弱和均匀性成为了气缸盖传热设计的关键。本文拟通过对水腔内流动与换热情况进行详细的数值模拟，以得到水腔内各部分的压力分布情况、流速分布情况和换热系数的分布情况等．以评价其换热能力的好坏．并针对其弱点提出改进方案，优化水腔结构。数值计算取图1所示水腔为计算区域。田1水腔原型圈2控制方程与边界条件2．1控制方程内燃机的燃烧过程非常复杂，这直接决定了气缸盖的换热过程是个非常复杂的非稳态过程

8、。要直接模拟这个复杂的非稳态过程以目前的条件几乎是不可能的。只能把问题分解成不同的小问题分别进行研究。对每个小问题可以抓住主要矛盾。舍弃次要矛盾。本文主要研究水腔的换热能力，因此假设其流动与换热过程为稳态、常物性、不可压的湍流换热过程．其控制方程为门：掣：o出i％警=著毒加等面可)椭(渊∽c2，警=砉(r等丽b㈤2．2边界条件流动介质：纯水。进口：均匀来流，进口速度u=v=O，们=常数；进口温度均匀且为常数，死=常数。出口：给