柴油車散熱器蓋壓力閥的進排氣流場模擬及分析

摘要：汽車散熱器蓋內的壓力閥性能對散熱器的質量有重要影響，以柴油機發動機散熱器蓋為物理模型，用Gambit軟件建立了其全尺寸模型，并利用Fluent 6. 3. 26軟件建立了相應的動網格模型，模擬散熱器蓋內部壓力場和速度場的分布規律。結果表明，散熱器蓋的空氣閥工作時內部壓力場呈區域分布，在流體截面最小的區域流速最大，采用Fluent動網格技術能為散熱器蓋整體設計提供產品特性預示。

關鍵詞：汽車散熱器蓋；Fluent軟件；動網格

柴油發動機以其燃料經濟性好、機動性能好、適用范圍廣的特點而在各個行業都廣泛應用。良好的冷卻系統和可靠的散熱器蓋壓力閥裝置是柴油發動機穩定運行的重要組成部分[1]。對于發動機冷卻系統安全閥的使用和研制，國內外在相關行業都有與相關的企業標準，其原理相通，但產品結構和性能各異。因為結構與整機結構相匹配、性能與系統壓力和溫度相匹配，而且壓力閥開啟與關閉精度有較高的要求，目前還沒有可通用的冷卻系統安全閥，因此，性能可靠、穩定性好、結構簡單、方便制造、便于維修的柴油機散熱器蓋壓力閥設計已成為了一個十分重要的課題。

1 .散熱器蓋的結構

柴油車散熱器蓋設計如圖1所示，散熱器蓋內的蒸汽閥靠圓柱螺旋彈簧密封，空氣閥靠膜片彈簧密封，在空氣閥閥芯裝配平面密封墊片，增加了與空氣閥彈簧座的密封面積。

2. 散熱器蓋的氣體流場分析

在Fluent中，動網格模型可以用來模擬由于流域邊界運動引起流域形狀隨時間變化的流動情況。以柴油車散熱器蓋內部的空氣流場作為物理模型，用Pro/e軟件建立了其全尺寸模型，導入Gambit劃分網格，采用Fluent 6.3.16軟件建立了相應的閥片動網格模型，并利用Profile編譯其運動方式，賦予模型與實際工況相同的進排氣口壓力邊界條件，以模擬散熱器蓋內壓力場和速度場的動態變化規律。Fluent 求解時，做出以下假設[2]：

（ 1） 不考慮摩擦力和泄漏；

（ 2） 空氣均勻且不含其他介質；

（ 3） 空氣流動時時滿足流量的連續性條件。

2.1 .模型和求解設置

是散熱器蓋的空氣閥工作時空氣流動區域的物理模型的半剖視圖，導入Gambit劃分網格后在Fluent設置邊界參數值。空氣閥以圖3左側的圓口為進氣口，壓力值設置為0.01MPa；右側的圓口為出氣口，壓力值設置為0；出氣口上方網格劃分較密集的是空氣閥閥芯，設置為可移動邊界，移動距離為Z向-1mm，如圖4所示。閥芯區域屬于剛體運動，其運動方式用Profile進行定義。將運動速度賦給整個可移動區域，四周氣體邊界隨其運動。對蒸汽閥的物理建模和邊界設置與空氣閥類似，蒸汽入口處壓力值設置為0.1MPa，出口處表壓為0。

Fluent 軟件動網格計算中網格的動態變化過程可以用3種模型進行計算，即彈簧近似光滑模型、動態分層模型和局部重劃模型[3]。模型對應選取彈簧近似光滑模型和局部重劃模型的更新方式。在彈簧近似光滑模型中，網格的邊被理想化為節點間相互連接的彈簧，從邊界節點的位移出發，采用虎克定律，經過迭代計算，最終可以得到使各節點上的合力等于零的、新的網格節點位置，但是如果運動邊界的位移遠遠大于網格尺寸，則采用彈簧光順模型可能導致出現體積為負值的網格。在本文例子中動態網格扭曲不大，可采用具有較好收斂性的SIMPLE算法解決壓力速度耦合問題以加快單個迭代步中的收斂速度，動量、湍流動能、湍流耗散率都采用二階迎風格式。

2.2. 結果分析

5是截取了散熱器蓋Y軸平面和可移動的空氣閥平面的總壓圖，圖6是其對應的速度矢量圖。由圖5和圖6可以看出，散熱器蓋內部的壓力呈區域分布，散熱器蓋頂部壓力與進口壓力幾乎相等，散熱器蓋中部區域壓力下降32%，在閥芯芯軸區域壓力再次下降26%，壓力以閥芯為中心向四周逐漸迅速下降至出口壓力。空氣在高壓區流速很低，進入散熱器蓋中部區域的入口處流通截面減小，流速增加至37m/s，在散熱器蓋中部區域流速降至14m/s；空氣閥閥芯與彈簧座之間的流通面積最小，流速增至最大值達103m/s。

2.3 .結構的改進設計

7和圖8分別是空氣閥的原設計和改進設計，在原設計中蒸汽閥彈簧座頂部平面的開孔是一個正方形，芯軸穿過方形孔與頂蓋鉚接，空氣閥工作時空氣從方形孔與芯軸的縫隙中流入。在改進設計中蒸汽閥彈簧座頂部平面的開孔改成圓形孔，其直徑等于方形孔對角線長度，改進設計的目的是為了增加空氣的流通截面和流速的均勻性。

改進設計的空氣閥的壓力場和速度場如圖9～圖10所示，空氣閥工作時，在蒸汽閥彈簧座和空氣閥彈簧座之間的區域總壓力從入口處往出口處逐漸降低，區域中心的表壓為0.080MPa，而原設計在這部分的區域總壓力迅速降低，區域中心的表壓為0.067MPa。由速度矢量圖可以發現，最高速度減小至99.4m/s，比原設計降低了3.5%，有利于減小對膜片彈簧的沖擊，而且在空氣經最小流通截面后在入氣活門上沿各個方向的流速更均勻。

3. 結論

（1）散熱器蓋的空氣閥工作時內部壓力場呈區域分布。壓力場和速度場無直接對應關系，在流體截面最小的區域流速最大。

（2）空氣閥工作時空氣在高壓區流速很低，改進設計的空氣閥的最高速度降低了3.5%，有利于減小對膜片彈簧的沖擊。

（3）采用Fluent動網格技術可以方便地分析散熱器蓋內部速度和壓力分布規律，為散熱器蓋整體設計以及閥口的尺寸優化奠定了基礎，對散熱器蓋的設計校核起到一定的參考作用。

參考文獻：

[1] 邱新橋， 張桂英. 汽車散熱器蓋安全閥性能測試臺[J]. 汽車工藝與材料， 2002， 2： 34-36.

[2] 劉長運， 趙學增， 陳芳， 等. 運動邊界問題流場仿真技術的發展[J]. 液壓與氣動， 2005， （10）： 5-8.

[3] 史忠軍， 徐敏， 陳士櫓. 動網格生成技術[J]. 空軍工程大學學報（自然科學版）， 2003， （2）： 61-64.