发动机冷却水套CFD分析.pdf

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1、SAE．C2003P056中国汽车工程学会2003学术年会发动机冷却水套CFD分析陈海娥孟凡臣宋建龙李军第一汽车集团公司技术中心大连柴油机厂f摘要】在现代汽车发动机的开发过程中，为了缩短其开发周期，计算分析在整个开发过程中的应用越来越多了。发动机冷却水套CFD(computationalfluiddynamics)分析已经成为目前发动机开发过程中必不可少的计算分析手段。利用该计算分析可以保证在发动机热负荷较高的燃烧室及排气道周围有良好的冷却液流动，而压力损失相对较低。所分析的发动机是一汽技术中心新开发的能满足欧II排放法规的中型系列柴油发动机。在其概念设计阶段利用CFD进行发动

2、机冷却水套的分析。本文主要介绍利用CFD分析优化该发动机冷却水套的过程。关键词：发动机冷却水套CFD分析1前言在现代汽车发动机的开发过程中，为了缩短其开发周期，计算分析在整个开发过程中的应用越来越多了。发动机冷却水套的CFD(computationalfluiddynamics)分析已经成为目前发动机开发过程中必不可少的计算分析手段。利用该计算分析可以保证在发动机热负荷较高的燃烧室及排气道周围有良好的冷却液流动，而压力损失相对较低。所分析的发动机是一汽技术中心新开发的能满足欧II排放法规的中型系列柴油发动机。在其概念设计阶段利用CFD进行发动机冷却水套的分析。本文主要介绍利用C

3、FD分析优化该发动机冷却水套的过程。2计算模型及边界条件计算使用的是商业软件FLUENT，紊流模型选取的是标准的k_e模型，该模型对大多数流动问题收敛性都比较好且结果较准确。贴近壁面处有三个模型可供选择：StandardWallFunctionsNon·EquilibriumWallFunctions：Two．LayerZonalModel，它们对贴近壁面的网格分别有不同的要求。本计算中选用StandardWallFunctions，该模型对工程中的很多流动问题都很适用，它对贴近壁面的网格要求用y+的大小来反映。y+与壁面剪切应力及贴近壁面的网格离壁面的距离等有关。具体计算公式

4、：y+=Ayr,／usqrt(T，／p)式中△yr一贴近壁面的网格离壁面的距离；u——运动粘度；tf一壁面剪切应力；P——密度。为了得到较准确的结果，选用标准壁面方程时应保证y+的值在一定范围之内。可以通过贴近壁面的网格尺寸来调整。由于发动机水套的结构非常复杂，为加快前处理的速度，通常使用四面体网格，为得到较准确的结果，必须选用二阶差分格式。在该分析中计算模式为稳态，流动型式为绝热、不可压缩、紊态流动，冷却液选用的是45％水和55％己二醇添加剂。发动机冷却水套的CFD分析除了能给出整个流场的流动情况，流速、流量分布，压降隋况外，还能给有限元的热分析提供换热系数边界条件。换热系数

5、(HTC)的计算公式如下：中国汽车工程学会2003学术年会SAE—C2003P056259HTC=CD·p·sqrt(Tw／p)／Pr·(v／sqrt(Tw／p)+9．24‘((Pm／Pr)“O．75-1)’(1+0：28。e“(-0．007·Pm／Pr))式中cf一比热容：p——密度；’Pr一有效普朗特数；Pnr一分子普朗特数；T、v一壁面剪切应力；v——速度。换热系数只与流体的流动情况有关，在有限元计算中局部需要用沸腾效应模型来修正，沸腾效应与流体和金属的温差有关。计算的边界条件是：入口：massflow出口：outflow。3缸体水套优化设计由于发动机缸体的上半部分离燃烧

6、室较近，因而其热负荷较高，而下半部分热负荷较低。针对其热负荷的特点，缸体水套的结构应该实现上部流速高，下部流速低，但同时不能有不流动的死区。最先提出的该发动机单缸缸体水套称为基本结构，其流速分布情况如图1、2所示，图2为展开的贴近内壁面的流速分布，可见该缸体水套结构基本实现了上部流速高，下部流速低的要求，但左右两边的流速分布不太均匀，内壁面左右两边的平均换热系数分别为：3028W／m2·K、4578W／m2·K，差别也比较大。为了使左右两边的流速分布均匀一些，去掉排气侧的出水孔，该结构称为改进方案1。其流速分布情况如图3、4所示，可见流速分布趋于均匀，上半部的平均流速大约为lm

7、／s，下半部的平均流速大约为0．4m／s左右。内壁面左右两边的平均换热系数分别为：3911W／m。K、4483W／m‘K，差别也比较小。图1基本缸体水套结构流速分布图2基本缸体水套结构接近内壁面处流速分布为了进一步提高上半部的流速，提出了改进方案2。如图5、图6分别为改进方案1与改进方案2贴近内壁面的流速分布，可见改进方案2上半部的平均流速有所提高。改进方案1内壁面左右两边上半部的平均换热系数分别为：5258、5489W／m。K，改进方案2内壁面左右两边上半部的平均换热系数分别为：5608W