柴油機冷卻水套的優化設計方法*

劉福水，閔祥芬，樊 豐，李向榮，郭良平

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081; 2.中國人民解放軍駐5460廠軍代室，石家莊 050081)

前言

隨著柴油機強化程度的不斷提升，對冷卻系統的性能也提出了更高的要求。冷卻不足、冷卻過度或冷卻不均勻都會對柴油機的可靠性和使用壽命造成一定的影響，導致其工作性能下降，嚴重時甚至不能正常工作［1－3］。

冷卻水套內冷卻水的三維流動直接影響柴油機的冷卻效率、高溫零件的熱負荷、整機的熱量分配和能量利用［4－5］。尤其對高強化多缸柴油機，各缸的冷卻均勻性也與上述性能息息相關。因此，在柴油機冷卻系統的設計過程中，冷卻水套的結構設計是非常重要的環節。

目前，計算流體力學(CFD)已經成為柴油機冷卻水套性能研究的重要手段［6－7］。然而，單純地應用CFD分析的方法對冷卻水套進行結構優化，具有優化方向不夠明確、工作量大和設計周期長的不足。

本文中將先進的三維計算手段和經典的理論分析方法相結合，提出了一種對水套進行結構優化的有效方法。

采用CFD商用軟件STAR-CCM+，對某型六缸柴油機冷卻水套進行數值計算，給出了水套缸蓋底平面的冷卻水速度分布情況，并對各缸冷卻水流量均勻性進行了比較分析。針對各缸缸蓋冷卻水流量分配不均勻的現象進行了理論分析，根據冷卻水流量分配和壓力損失的關系，引入了流阻圖的概念。采用流阻分析的方法，通過改變各缸的上水孔尺寸達到流阻平衡，進而調整各缸蓋冷卻水的流量分配。基于此方法，對冷卻水套進行結構改進，通過改變不同的總進口流量驗證了該方法的有效性。

1 冷卻水套幾何模型的建立

幾何形狀的準確描述是模擬計算的重要前提。由于柴油機冷卻系統結構十分復雜，很難保證建立的計算模型和實體模型完全一致，而且實體模型越復雜，計算所需的時間越長。因此，本文中在保證對數值模擬計算結果不產生很大影響的前提下，對實際的實體結構進行一些簡化處理，如不考慮某些過渡圓角、倒角等細節，但對模型的關鍵位置(如缸蓋水套鼻梁區)不作任何簡化。

研究對象為開發過程中的某型六缸柴油機冷卻水套。圖1為該柴油機冷卻水套幾何模型。

該柴油機采用缸體水套串聯式、缸蓋水套并聯式的冷卻水分配形式。即冷卻水先從自由端第1缸入水口進入，大部分冷卻水依次流入各缸體水套(缸體水套之間由兩側的連通孔連接)，同時一部分冷卻水通過缸蓋上水孔獨立進入各氣缸缸蓋水套，流經缸蓋水套后全部匯入回水總管，回水總管出水口也位于自由端。

2 冷卻水套計算模型的建立

2.1 計算網格模型

將三維的CAD模型導入到Hypermesh軟件中進行面網格劃分，選擇基本網格尺寸為5mm，并對缸蓋鼻梁區、缸體上部等關鍵流動區域的網格加密。然后將stl格式的面網格模型導入STAR-CCM+中自動生成多面體網格。多面體網格不但可以使計算網格數量大大減少，而且具有計算精度高、收斂速度快等優點。本文中冷卻水套模型劃分網格總數約為88萬。

2.2 計算初始和邊界條件

冷卻液為純凈水，溫度353K下對應的動力黏度為3.551×10－4Pa·s。在數值計算中認為冷卻水的流動狀態是三維不可壓的黏性湍流流動。采用穩態計算模式，利用分離式求解器進行計算，湍流模型選用標準k-ε湍流模型。計算過程中，須求解連續性方程、動量方程、能量守恒方程和湍流模型方程。

入口邊界質量流量取7.0kg/s。出口采用壓力邊界，根據以往的試驗數據，表壓為0.13MPa。

在計算中采用固定溫度邊界條件，假定缸蓋和缸體平均壁面溫度分別為393和373K。由于k-ε模型只適用于離開壁面一定距離的湍流區域，因此對于壁面附近的區域，采用Norris和Reynolds方程低雷諾數模型。

恰當地選擇計算初始條件可以加快收斂速度。本次計算中初始值假定:表壓為0.13MPa;溫度為300K;湍動能為0.01m2/s2;湍動能尺度為1mm;速度為u=v=w=0。

3 CFD計算結果及分析

3.1 速度場分布

由于柴油機缸蓋底部，進氣門座、排氣門座與噴油器之間的鼻梁區熱負荷很高，因此應保證缸蓋鼻梁區冷卻水有良好的流動。由于排氣側的燃氣溫度較高，因而對排氣門附近冷卻水流速要求更高。Ricardo公司推薦氣缸蓋排氣門鼻梁區流速為1.0～1.5m/s，進氣門鼻梁區的流速為 0.5 ～1.0m/s［8］。

圖2為缸蓋底平面水流速度分布圖。由圖可見:排氣門鼻梁區比進氣門鼻梁區冷卻水速度高;缸蓋底平面的平均流速為0.95m/s，雖高于工程限值0.5m/s，但局部區域的速度分布還存在一定的差異，尤其第6缸鼻梁區附近冷卻水速度偏低。

3.2 缸蓋冷卻水流量均勻性

針對各缸缸蓋底平面速度分布不均勻的現象，對各缸缸蓋分配的冷卻水流量進行了統計。

定義各缸流量最大不均勻度為

式中:ηi為各缸流量占總流量的比例(i=1，2，…，6)為平均百分比。

圖3為各缸蓋冷卻水流量占總流量的比例。由圖可見:各缸蓋冷卻水流量分配十分不均勻;從第1缸到第6缸，各缸蓋分配的冷卻水流量逐漸遞減，第1缸蓋冷卻水流量占總流量的25%，第6缸蓋僅占12.8%，最大不均勻度達50%。說明大量的冷卻水沒有在缸體水套內充分流動就通過缸蓋水套流出，造成第4、5、6缸冷卻水流動性極差。

3.3 壓力場分布

圖4為冷卻水套的壓力場分布圖。由圖可見，總體壓力損失為76.5kPa，且壓力損失主要發生在缸體和缸蓋之間，這主要是由于缸蓋上水孔截面突變導致節流作用造成的。

表1為各缸缸蓋的壓力損失值。由表可見，采用進出口在同一端的方式，容易造成冷卻水流經各缸缸蓋的流動阻力不平衡，進而造成冷卻水流量分配不均勻。因此，在對水套進行結構改進時，要盡量保證冷卻水流經各缸缸蓋的流動阻力平衡。

表1 各缸缸蓋壓力損失 kPa

4 冷卻水套的結構改進依據

4.1 各缸蓋冷卻水流量和壓力損失的關系

圖5為由計算數據擬合形成的各缸缸蓋冷卻水流量和壓力損失的關系曲線。

由圖可見，在各缸缸蓋上水孔尺寸一樣的情況下，各缸蓋冷卻水流量基本和壓力損失的開方成正比，即

式中:Qi為各缸缸蓋分配的冷卻水流量，kg/s，入口總流量Q=∑Qi;Δpi為各缸缸蓋入口和出口間的壓力損失，kPa。

式(2)與式(3)節流式流量計的流量公式［9］形式相吻合，驗證了計算結果的可靠性。

式中:q為流量;K為流量系數，是與工作介質的黏性和流道幾何結構有關的常數;p1、p2為入口截面和出口截面的壓力;z1、z2為入口截面和出口截面的高度。

4.2 等效流阻方法的引入

由式(2)可知，若將流經每缸缸體水套、上水孔、缸蓋水套和回水管的冷卻水流量看作電流，壓力損失的開方看作電壓，則每一部分可看作電阻，且阻值只和結構有關，即

得到水套內冷卻水流動的等效流阻圖，如圖6所示。

圖中:R缸體、R上水孔、R缸蓋和 R回水管分別代表缸體、上水孔、缸蓋和回水管的流阻。并假設6個缸的缸體、上水孔、缸蓋和回水管的流阻都對應相等。

對圖6中總入口和總出口之間的6個回路可建立壓力損失、流量和流阻的相關方程。

對于任意第i(i=1，2，…6)個回路，均滿足如下回路方程:

其中:

根據原模型的模擬計算結果，得到各缸缸蓋分配的冷卻水流量占總流量的比例，如圖3所示。具體數值如下:Q1=0.250Q;Q2=0.186Q;Q3=0.162Q;Q4=0.143Q;Q5=0.131Q;Q6=0.128Q。

對于每個回路，總入口和總出口之間的壓力損失Δp是相同的。將上述結果分別代入到回路方程中，可以建立方程組。每兩個方程聯立求解，均可得到如下關系式:

解算后，取平均值，得

4.3 優化目標和求解過程

若想使各缸的流量分配均勻一致，則必須滿足:

在工程中，在達到優化目標的前提下，對冷卻水套的結構改動越少越好。因此，本次優化過程，保持第6缸上水孔尺寸不變，則第6缸的流阻也保持不變，即

將優化目標對應的各缸流量比例代入到回路方程中，依次解算則可以得到優化目標對應的各缸流阻值。

優化目標對應的各缸流阻如下:

即第1～6缸的相對流阻依次為 1.822、1.505、1.261、1.100、1.021、1.000。

由此可知，改變上水孔或者缸蓋的流阻值均可以達到優化目標，但由于缸蓋結構復雜，加工時間長，改變缸蓋尺寸會造成人力物力的大量浪費，因此本次結構優化只考慮改變上水孔的尺寸。

為了得到上水孔尺寸變化對流阻變化的影響規律，選取圖7所示的模型進行CFD計算。設置進口流量為1.167kg/s，出口壓力0.13MPa，得到的計算數據列于表2，并擬合出相對流阻和上水孔直徑的關系曲線，見圖8。

表2 計算數據

由此可以得到優化目標對應的各缸缸蓋上水孔直徑，如表3所示。

表3 各缸缸蓋上水孔直徑

5 計算結果分析及改進效果驗證

根據表3提供的數據，各缸選用不同直徑的上水孔。由于是在原模型的基礎上進行結構改進，為了更準確地體現結構改進對冷卻性能提高的效果，采用與原模型相同的初始條件和邊界條件，啟用相同的計算模型。

5.1 改進前后各缸蓋冷卻均勻性對比

圖9為改進前后各缸蓋分配的流量占總流量比例的對比圖。

由圖可見，采用改變各缸的上水孔尺寸達到流阻平衡的方法，對冷卻水套進行結構改進后各缸蓋冷卻水流量最大不均勻度由50%降低到4.6%，各缸蓋冷卻水流量分配不均勻性得到大幅改善。

5.2 速度場分布

圖10為改進前后缸蓋底平面速度場分布對比圖。由計算結果可知，缸蓋底平面的平均流速達到1.01m/s，相對改進前均有一定的提升，且各缸冷卻水流速相對更均勻。

圖11為改進前后缸蓋鼻梁區冷卻水平均速度分布對比圖。由圖可見，與各缸缸蓋分配的流量分布相似，改進后各缸鼻梁區冷卻水速度分布變得基本均勻。

5.3 壓力場分布

圖12為改進后的水套整體壓力場分布。

由計算結果可知，總體壓力損失為99.9kPa。雖然相比改進前有所增大，但現有的水泵仍然可以提供這么大的揚程，因此可通過犧牲一定的壓力損失，以達到冷卻更均勻的效果。

5.4 不同入口流量下各缸的冷卻均勻性驗證

改變不同的入口總流量(1.167、2.333、3.500、4.667、5.833和7.000kg/s)，分別進行數值計算。圖13為不同的總入口流量下，各缸冷卻水流量占總流量的比例分布圖。由圖可見，不同入口流量下的各缸冷卻水流量占的比例相差不大，進一步驗證了流阻分析方法的有效性。

6 結論

將先進的三維計算手段和經典的理論分析方法相結合，提出了一種對水套進行結構優化的有效方法，可為柴油機冷卻水套的優化設計提供方向性指導，得到如下結果:

(1)采用進出口在同一端的方式，容易造成各缸缸蓋冷卻水流量分配不均勻，必須通過結構優化來保證各缸冷卻均勻性;

(2)根據流量和壓差的關系，引入了流阻圖的概念，采用流阻分析的方法，理論上可以靈活地調整各缸蓋的流量分配，從而實現各缸冷卻水均勻分布;

(3)采用流阻分析的方法，通過改變上水孔尺寸實現了各缸蓋流量分配的均勻性，并通過改變不同的總進口流量驗證了該方法的有效性。

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