節溫器主閥壓力值計算方法對比

劉吉林 王宏大 王次安

摘 要：文章對比討論了三種確定節溫器主閥壓力值的方法，并通過實際分析計算進行驗證。通過分析可知，使用一維分析的邊界進行的三維計算可以得到更精確地壓力值。

關鍵詞：節溫器;仿真分析;Flowmaster

中圖分類號：U464.138? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）04-123-02

引言

節溫器主閥兩側的壓力差，是設計節溫器的關鍵參數之一。為同步進行零部件開發，通常在沒有實物之前進行仿真分析，初步估計節溫器主閥兩側的壓力值。該壓力值的精確計算有著重要意義。當預估的壓力值過高，導致節溫器響應緩慢;而預估值偏低又將產生泄露的問題。

為避免這類情況的發生，在分析過程中采用一維和三維的雙重分析，精確計算主閥兩側的壓力值。

1 分析方法探討

通常，在設計之初要確定節溫器兩側壓力差時，都是參考冷卻水泵在額定點的揚程數據。其理論依據是水泵是整個冷卻系統的壓力源，任何冷卻系統下級零件的壓力差都將低于水泵輸出的壓力差（即，揚程）。而額定點通常又都是最高轉速，此時水泵確實也處于最高轉速。

這里需要注意的問題如下：其一，水泵額定點的性能參數實際上一條曲線，不同流量對應不同的揚程。其二，給定的額定點數據，是額定轉速下大循環開啟后的水泵輸出數據。而給節溫器提供參數時，節溫器并不開啟，此時水泵并不在額定點工作。這種情況下，水泵實際輸出的揚程要高于大循環開啟后的揚程。

此外，對于系列化平臺化的發動機，為了適應各種改型產品，水泵對于具體的機型也不一定工作在最初的額定點上。

即使水泵額定點揚程符合要求，要想得到節溫器主閥前后壓差，還需要減去水套的壓損、從發動機出水口經散熱器再到發動機入水口這之間的靜壓損失。

所以直接以水泵額定點揚程作為節溫器設計的輸入參數是一種過度設計的思路，并不能視為安全余量。這將使節溫器主閥彈簧剛度系數過大，造成響應緩慢的問題。

分析節溫器主閥兩側壓差，需要建立冷卻系統分析模型，根據額定點小循環狀態下全系統的壓力分布進行分析。

通常進行冷卻系統分析的時候，都是建立冷卻系統一維分析模型。將冷卻系統抽象成管路、接頭、流阻塊和水泵。這樣可以提高分析速度，降低建模的復雜程度。按以往的分析經驗來看，一維分析的流量結果通常誤差很小，而節點壓力偏差較大。這是建模簡化帶來的必然結果，因為各種管路匯合或分離的腔體都不能精確轉化成分析元件，只能抽象成若干接頭的排列組合。

而使用三維軟件建模，如果建立全系統則工作量大且復雜，如果只建立節溫器局部又缺少邊界。

所以使用一維分析的流量結果作為邊界，再采用三維分析的方式建立節溫器閥座（含節溫器）的精確模型，而后進行壓力分析，可以獲得較為理想的計算結果。

2 建模及數據處理

對于某款汽油發動機，為精確計算節溫器主閥壓差，建立全系統一維分析模型，如圖1。

分析工況定為額定轉速，小循環狀態。此時，水泵轉速最高，系統總流阻最大，小循環狀態下節溫器關閉，節溫器閥前后壓差最大。讀取模型中節溫器閥座各個進出口的流量數據，各個節點的壓力數據。

通過讀取的節點壓力數據，已經可以計算出節溫器前后的壓力差。該數值用于最終和三維分析的結果作對比。

節溫器閥座（含節溫器）的三維幾何數模如圖2所示。抽取內腔作為流體分析對象。

將一維分析的各個入口的流量數據作為邊界，設置出口為壓力出口，計算整個流體區域的壓力分布。結果如圖3所示。

從上圖可知，小循環狀態下，節溫器下表面壓力值最大，顯著高于節溫器閥的上表面。而前文的一維分析無法得到這一差異，只有節溫器閥內外兩個節點的壓力值。

為獲取節溫器所受液體垂直向上的作用力，沿Y軸作積分運算。從結果還可發現，液體的剪切力對閥的壓差貢獻得很小，可忽略。

3 結論分析

三維積分的結果直接就是節溫器主閥兩側的壓差;一維結果只是壓力差，需要乘以閥體在Y方向的投影面積。結算結果如圖4所示。

如上圖，三維計算要低于一維計算結果，這是因為三維分析有著更多的細節，能夠更精確的反映出節溫器閥的幾何結構，而一維分析只能從節點總壓進行計算，無法考慮前文圖3所展示的壓力分布。而直接根據水泵揚程估算的壓力差最大。通過三維分析得到的結果比根據揚程估算的結果要低25%。

4 結語

通過對比分析可知，采用三維分析可以更準確的獲得節溫器主閥的壓力差。這將有利于提高閥門的響應性，有利于冷卻系統的快速反應。

參考文獻

[1] Flowmaster軟件參考文檔.

[2] 高巧，劉吉林等.某型號柴油發動機冷卻系統分析及優化[J].汽車實用技術.2017（8）， 129-131.