發動機缸體冷卻水套的CFD分析與優化設計探析

張旭 李紅政 關帥

摘 要：現階段，借助于軟件對四缸汽油發動機械的冷卻水套開展數值的模擬，經由分析模擬的結果，發現該款發動機的缸體冷卻水套在設計過程中的確存有明顯的缺陷，進而提出了一套缸體冷卻的優化策略，并對這一優化的方案開展數值化模擬，結果顯示，優化后缸體的冷卻的實際效果有了一定程度的提高。本文運用CFD分析缸體冷卻水套的全過程，進而不斷地優化發動機缸體的水套結構，保障發動機具備相對理想的機內冷卻條件。

關鍵詞：CFD；發動機；缸體；冷卻水套；優化方案

就當前來講，發動機開發過程中需用到冷卻水套的CFD分析這一計算途徑，運用這一計算技術喲助于確保發動機設備在熱負荷比較高的排氣管道周邊擁有相對理想的冷卻液循環流動，而產生較少的壓力損失。本文在概念設計時期借助于CFD分析發動機械缸體的冷卻水套，通過建立模型等提出進一步的優化設計方案。

1.建立模型的方法

1.1.分清算法及各類邊界條件

一般情況下，冷卻液需選擇50%的乙二醇及50%的水制成混合液，運用處于穩定狀態下的計算模式，在模擬計算時，應設冷卻液在水套內部為絕熱的流動狀體，不容壓的粘性流動，計算時運用有限的體積法將計算區域分成散亂化的管理體積網格，在每個管理體積上積分管理方程，產生變量計算的數學方程，在模擬計算時，需求出持續性的方程、能量守恒的方程以及動量方程等。

通常要滿足下列三項條件：首先，在出口邊界，應符合壓力出口的邊界條件，大氣壓充當出口壓力；其次，入口邊界的進口速率可依照缸體冷卻水套的冷卻液入口位置的實際流量以及入口處的面積計算得到，進口的速率通常為2.5m/s；壁面的邊界上，壁面需運用防滑移固壁，也就是說，固體外表上流體速率為零。

1.2.構建網絡模型及幾何模型

在本次研究中，運用北京現代α1.6型汽油發動機械缸體的冷卻水套作為直接探究的對象，幾何模型通過三維CAD系統軟件加以確立。毋庸置疑，模型的建立是一個相對繁瑣的過程，在開展仿真計算時會耗費大量的時長，在保證不影響模擬結果的基礎上，對模型開展一系列簡易化的處置辦法。

幾何模型的創建需經UG系統以輸出STP格式的圖形格式進行制作，接著用固定的網格生成系統劃分缸體冷卻水套的網格，冷卻水套的外表網格可定為三角形狀，流動的區域愚弄四面體的網格加以區分，冷卻水套整體運用非結構化的網格，在臨近冷卻水套壁面的區域周邊，運用四面體的網格單元，以便于合乎相對繁瑣的三維空間區域，在這期間，可對冷卻水套的流動參數的變化明顯的部位加以適度的網格加密限制。

2.流動仿真的模擬化結果

2.1.缸體冷卻水套外側面的矢量

冷卻液在進入發動機械的缸體冷卻水套之后，因先前受水泵葉輪旋轉作用等要素的制約和影響，冷卻液的流動并非呈現單線的形態，在缸體冷卻水套的首缸外壁面部位的冷卻液未能徹底地沿缸體產生橫向的流動，而是在起先階段流到缸體下底面，接著經缸體的下底面流動到缸體的上方一側，不難發現，冷卻液在水套的首個缸外壁面的位置出現了漩渦的情形，這樣一來，直接造成首缸體冷卻水套的一些流動的阻力增加劇烈，冷卻液在冷卻水套的外壁面流動速率每況愈下，直接降低了自身的冷卻效果。

2.2.缸體冷卻水套的氣溫

發動機缸體的冷卻水套，其氣溫的分布并非均勻不變的，冷卻水套的排氣一側的氣溫通常要超過進氣一側的氣溫，另外，由于缸體冷卻水套在第四個缸部位的冷卻液流動速度相對較低，直接致使第四個缸體冷卻水套內部的氣溫高于另外的每個缸。

2.3.缸體冷卻水套頂平面及底平面的速度

一般情況下，缸體水套的上頂部，冷卻液的流動速率相對迅速，平均的流動速率可達到1.2m/s.，在第四缸的右端，流動速率始終未降到零，僅在排氣一側有較少流動速率<0.2m/s的位置。

冷卻液在缸體冷卻水套的下底部流動速率較為遲緩，平均流動的速率僅為0.7m/s，在第四缸的右端部位，流動速率一度下降到零，同時，冷卻液在進氣一側的流動速率均稍高于排氣一側。綜合對比，不難發現，發動機械設備的缸體冷卻水套，其上頂部的冷卻液具體的流動速率要高于水套下底部的速率。

3.優化方案的對比

3.1.優化方案

通過以上模型分析結果可知，冷卻液在冷卻水套的首缸體外壁面的部位出現了漩渦狀況，直接造成缸體冷卻的水套內部，冷卻液的流動阻力呈現增加的態勢，流動速率得以下降，給首缸體冷卻水套外壁面的冷卻任務產生了負面影響。另外，在第四個缸部位，顯著出現了較低的冷卻液流動速率的位置，造成冷卻水套的第四個缸部位個別區域熱負荷的增加，這便需不斷地改進優化設計發難，以便于整體提升冷卻的效果，方案如下：

首先，可將冷卻水套的冷卻液入口方位下降15mm，采用使冷卻液入口下降的方案避免首缸水套外壁面出現嚴重的漩渦現象，使冷卻液在首個缸冷卻水套的外壁面的位置處呈現單線的流動狀態。其次，調整冷卻液水孔的具體結構，在冷卻水套的排氣一側的4個圓形處的小孔部位，其冷卻液的流量相對較小，不但未能增加排氣一側冷卻液的上水量，還使冷卻水套排氣一側另外部位上的水孔冷卻液的實際量降低，所以，要將其去除。在這期間，為有效地增加首缸排氣一側方位處的水孔冷卻液量，可把起先用到的首個缸體冷卻水套進氣一側的26號上水孔予以去除，進而完成整個方案的優化

3.2.同原結構的分析比較

經同原結構加以比較可知，冷卻液的流動速率略微增加，冷卻水套上頂部冷卻液的流動速率也有相應的增加，這對于改善冷卻效果是大有裨益的。

結語：

綜上所述，發動機械缸體冷卻水套內部的冷卻液流動需合乎冷卻的規范，然而，也暴露一些缺陷，需通過設計方案的不斷優化，增強提升冷卻液的流動速率，達到增強冷卻效果的目標。

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