內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s水系統(tǒng)流阻匹配分析

楊帆 謝經(jīng)廣 高科偉 張洪磊

摘要：為滿足新型低油耗低排放大功率柴油機(jī)的冷卻、降低機(jī)車輔助功率、縮小冷卻裝置空間、減少輔助系統(tǒng)重量的要求，公司研發(fā)了新型冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)成敗的重要因素之一就是各大部件流阻匹配是否合理。本文針對此項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對某型內(nèi)燃機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行三維流體仿真分析，獲得系統(tǒng)流阻匹配性能，根據(jù)分析結(jié)果對原系統(tǒng)性能進(jìn)行優(yōu)化，使得系統(tǒng)流阻匹配性能良好，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果較為吻合，為新型冷卻系統(tǒng)的研發(fā)提供有力支撐。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng);流阻匹配;仿真分析;優(yōu)化設(shè)計(jì)

1? 問題的提出

大功率節(jié)能減排柴油機(jī)的研發(fā)，對傳統(tǒng)的冷卻模式[1]提出了新的要求，機(jī)油冷卻能力是設(shè)計(jì)的瓶頸。考慮到機(jī)車空間及整車重量限制，公司研發(fā)了一套新型冷卻系統(tǒng)[2]。

新的冷卻系統(tǒng)，除了滿足系統(tǒng)的冷卻要求，還應(yīng)考慮到散熱器的壽命及運(yùn)用可靠性。該機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)分為高溫系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)。低溫系統(tǒng)采用中冷器和機(jī)油熱交換器并列布置，由于二者散熱要求及冷卻性能不同，所需的流量也不同，水泵確定的前提下，中冷器、機(jī)油熱交換器、散熱器三者的流量分配是低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。高溫系統(tǒng)在水泵確定的前提下，柴油機(jī)散熱需求和散熱器散熱性能及壽命是否同時(shí)滿足是高溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

由于該系統(tǒng)是全新設(shè)計(jì)的，缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為縮短研發(fā)周期、節(jié)約開發(fā)成本并提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度，在大部件選型及管路設(shè)計(jì)過程中，用三維仿真軟件進(jìn)行流場分析，較系統(tǒng)地計(jì)算各部件、管路的流量分配。

2? 邊界條件及求解方法

本文系統(tǒng)大部件設(shè)計(jì)流量見表1。

本文分析對象為不可壓縮流體，對連續(xù)方程及N-S方程進(jìn)行求解，選擇Realizable k-ε湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。數(shù)值通量用二階迎風(fēng)格式，守恒變量用隱式方法計(jì)算。

3? 高溫系統(tǒng)大部件分析

3.1 高溫水泵

水泵為冷卻系統(tǒng)介質(zhì)循環(huán)流動的動力源，其性能曲線對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱性能起到非常關(guān)鍵的作用。

通過CFD仿真技術(shù)，對該離心水泵進(jìn)行數(shù)值仿真分析建模、求解、后處理等過程獲得該水泵在額定工況下的性能參數(shù)。水泵幾何模型、網(wǎng)格、壓力及速度分布如圖1（a）-（d）所示。高溫水泵揚(yáng)程曲線如圖1（e）所示。

3.2 柴油機(jī)水套

為保證柴油機(jī)能夠經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的工作，各部件要維持一定的溫度。冷卻水套是柴油機(jī)散熱的關(guān)鍵部件，其流動阻力及各缸的冷卻水分配性能是柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問題。水套分析過程如圖2所示。

3.3 高溫散熱器

熱交換設(shè)備的性能是冷卻系統(tǒng)的核心，高溫系統(tǒng)承擔(dān)熱交換的部件為高溫散熱器，散熱器幾何模型、網(wǎng)格、壓力及速度分布如圖3所示。分析結(jié)果表明，散熱器內(nèi)部流體分布均勻。

低溫系統(tǒng)大部件計(jì)算過程同高溫系統(tǒng)，這里不再贅述。

4? 系統(tǒng)流阻匹配優(yōu)化分析與試驗(yàn)對比

根據(jù)對水泵性能及系統(tǒng)的整體分析發(fā)現(xiàn)，由于該系統(tǒng)阻力偏小，使得水泵工作點(diǎn)偏離額定工況，需對系統(tǒng)作優(yōu)化。

綜合考慮系統(tǒng)冷卻性能及各大部件運(yùn)用情況，決定不改變大部件，僅優(yōu)化管路。優(yōu)化有兩種方案：

第一，在管路中設(shè)置節(jié)流閥;

第二，在管路合適位置增加節(jié)流孔板。

上述兩種方案效果類似，但在成本上，后者占有明顯的優(yōu)勢，所以選擇后者。

優(yōu)化前后管路流線如圖4所示。

優(yōu)化前后系統(tǒng)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果見表2，由表中數(shù)據(jù)可知，仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。裝有新型冷卻系統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車在新疆鄯善進(jìn)行了鐵道科學(xué)院組織的高溫冷卻能力試驗(yàn)，并順利通過了試驗(yàn)考核，為該型機(jī)車的鑒定及早日批產(chǎn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

5? 技術(shù)展望

本文對某機(jī)車?yán)鋮s系統(tǒng)重要部件及系統(tǒng)管路進(jìn)行了三維仿真分析，與以往的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合，為大部件選型及冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供充分依據(jù)。

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，可將整個(gè)系統(tǒng)作為一個(gè)研究對象，將流阻及散熱進(jìn)行全三維仿真，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度和精度，為成功研發(fā)出高效、節(jié)能、環(huán)保的內(nèi)燃機(jī)車作貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]戚墅堰機(jī)車車輛廠.東風(fēng)8B型內(nèi)燃機(jī)車[M].北京：中國鐵道出版社，1997.

[2]張少元.內(nèi)燃機(jī)車新型冷卻模式的研究與實(shí)踐[J].鐵道機(jī)車與動車，2014.