發動機缸體冷卻水套的CFD分析與優化設計的研究

王勛

摘要：在本文的分析過程中，主要采用FLUENT軟件，對某國產的四缸汽油發動機當中的缸體冷卻水套進行相應的研究，以此建立出數值模擬的研究體系。通過對模擬數值的相關研究，可以有效的對現階段發動機缸體冷卻水套的不足進行優化處理，進而能夠在使用的過程中，有著較高的使用性能。同時也是充分保障在未來的設計過程中，有著較高的結構穩定性。

Abstract： In the analysis process of this paper， FLUENT software was mainly used to conduct corresponding research on the cylinder cooling jacket of a domestic four-cylinder gasoline engine， so as to establish the research system of numerical simulation. Through the relevant research of simulation value， the shortage of cooling water jacket of engine cylinder block can be effectively optimized at present， so as to have a higher performance in the process of use. At the same time， it also fully guarantees the high structural stability in the future design process.

關鍵詞：發動機;冷卻水套;數值模擬;幾何模型

Key words： engine;cooling water jacket;numerical simulation;the geometric model

中圖分類號：TK414.23? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0022-02

0? 引言

對于現階段所使用的發動機冷卻水套而言，在設計的過程中往往存在著一定的不足之處，因此需要針對出現的問題，進行發動機缸體冷卻水套，在結構方面進行相應的優化，例如可以通過數值模擬的方式，進行相應的結構性優化和改進，從而在對其日后的深入研究中，提供可靠的數據參考。

1? 研究背景

在發動機冷卻系統運行的過程，冷卻水套一直都是重要的組成部分，一個良好合理的發動機冷卻水套，可以依賴結構的優勢，在高溫區域進行高效率的冷卻液流動，以此實現了良好的傳熱作用。這樣就會讓這些高熱區域，有著較低的熱負荷。在發動機運行的過程中，只有不會出現較高的溫度，才可以進一步的保障發動機能夠有著較高的可靠性和穩定性?，F階段，人們普遍采用對流體力學方面的計算分析，能夠很好的解決涉及到三維流動方面的問題。在過去的研究分析中，需要采用大量的試驗，形成流動信息數據，這樣便可以通過相關軟件，進行模擬計算分析。同時加上CFD技術的使用，可以很好的對發動機冷卻水套性能進行分析，進而幫助相關研究人員，能夠省下大量的時間和精力，保障可以從理論方面著手，進行試驗的指導，避免在進行實驗分析的過程中，出現盲目實驗的可能性。

2? 模型的建立

2.1 建立幾何模型以及計算網絡模型

在本文的分析過程中，主要針對某品牌的汽車發動機，當中缸體冷卻水套，進行細致的研究和分析。而進行的幾何模型的建立，通常請況下需要采用三維CAD軟件進行執行，以此能夠建立此相應的模型，同時需要注意的是，由于在模型的建立中，有著較高的復雜程度，同時建立模型需要消耗大量的時間成本，為了不會對模擬實驗產生一定的影響，就需要對建立模型的過程中，進行一定的簡化處理。

在建立出來的幾何模型當中，需要通過UC軟件，采用STP的格式，形成相應的模型文件。之后還需要使用FLUENT軟件，通過軟件當中的網格，對其發動機缸體的冷卻水套，進行網格的劃分，在對其冷卻水套進行劃分的過程中，需要在表面采用三角形的網格劃分，而在流動區域內的處理上，則需要采用四面體的網格方式進行劃分。而對整個冷卻水套的結構進行分析的過程中，則需要采用非結構化的網格分析模式，在貼近發動機冷卻水套避免的位置，需要對其附面層網格的方式進行處理，而在距離壁面較遠的位置，則需要使用四面體網格單元的方式，以此形成較為復雜的三維空間域。并且，在分析的過程中，還需要結合起發動機冷卻水套當中，流動參數的影響，使得對一些流動性比較大的位置，需要采用網格加密控制的方式進行分析。

2.2 算法以及邊界條件

在冷卻液的選擇上，本試驗主要采用水與乙二醇的混合溶液，并通過穩態的計算模式方式進行分析。在穩態模擬計算的過程中，需要讓冷卻液在水套當中的流動狀態，保障處于絕熱以及不可壓的粘性湍流流動當中。使得可以在進行計算的過程中能夠，通過有限體積的方法，將其需要計算的區域，進行離散控制體系網格的劃分研究。這樣就可以很好的控制單位體積上的積分。而在之后的模擬計算工程中，可以通過注入計算變量等方式，進行相應的模型分析計算。

其中，在入口便捷的位置，需控制好進口的速度，大體上依據缸體冷卻水套，在冷卻入口處的實際速度，進行調整。而在出口邊界的條件下，則需要使得出口邊界條件，能夠很好的符合實際的壓力需求。

3? 流動仿真模擬結果

3.1 發動機缸體冷卻水套表面的速度值

在發動機缸體冷卻水套內表面，其實際的速度可以得到準確的測量，以此在進行分析的過程中，發現缸體冷卻水套的內表面，在流動速度上，有著不均勻的現象，在個別位置出現流速較大的問題。同時，由于冷卻液是由1缸向著4缸進行流動的，使得在其中的冷卻液流速方面，不斷的進行著速度的降低。

3.2 發動機缸體冷卻水套外壁面速度

在外壁面的實際速度方面，與內表面的實際速度有著相似的地方，但是不同的在于，外壁面的冷卻水套，相比較內壁面有著較低的速度。因此，就會使得在進氣側，使得冷卻液的實際流動速度，稍微大于排氣側的實際速度值。特別是在第四缸的位置，有著明顯的速度變化。

3.3 發動機缸體冷卻水套速度矢量

在當冷卻液，流動到了缸體的水套當中的時候，由于在流動的過程中，會受到水泵葉輪的影響，使得不會出現單線流動的情況，因此在其缸體冷卻水套當中，并不是依據缸體的方向，進行橫向的移動。而是首先需要流動到缸體的底部位置，之后在向缸體上方進行流動。因此，就會使得在流動的過程中，出現了一定旋渦效應。這樣就會使得在流動的過程中，出現較大的流動阻力。同時冷卻液在缸體的冷卻水套外壁面，出現流速的降低。

3.4 頂平面位置的速度

在發動機的冷卻系統當中，其冷卻液在其水套的底部位置時，有著較低的流動速度，甚至在一些特殊位置下，有著近乎于零的流速。而在另一些位置上，冷卻液在進氣側，則明顯的高于排氣側的流動速度。

在缸體水套的頂部，其冷卻液有著較高的流動速度，同時在四缸的位置上，能夠進行流動的速度為零，因此有著流動速度不同的情況發生。

3.5 發動機冷卻水套的溫度變化

最后可以通過軟件，對其發動機缸體的冷卻水套，進行溫度方面的分析和模擬，可以發現，在發動機運行的過程中，其溫度變現并不一致，有著較為不同的溫度變化，其中在缸體冷卻水套的排氣側，有著較高的溫度系數。同時，由于缸體冷卻水套，相比較四缸位置的流速較低，就使得其溫度相對較高。

4? 優化分析

4.1 上水孔分析

在對其缸體冷水水套進行分析的過程中，發現在缸體冷卻水套的冷卻液，流向上水孔的時候，其一共有著24個上水孔。并且，之后在對其上水孔的冷卻液質量進行分析后發現，不同的上水孔位置，由于面積不一致，就使得在質量流量分布的過程中，有著比較明顯的差異性。相比較各個不同的排氣道側的冷卻液，由于上水量位置，明顯相對均勻，聚會時在流量的過程中，有著較高的屬性，因此可以很好的進行排氣。

4.2 優化分案分析

在對其原發動機在運行的過程中，進行充分模擬分析后發現，其冷卻液在冷卻水套的流動過程中，十分容易在外避免出現旋渦的問題。一旦出現了旋渦，就會使得在缸體冷卻水套當中，使得冷卻液的流動產生一定的阻礙，嚴重降低了流動速度，因此無法充分的發揮出冷卻液的作用。特別是在第四缸位置，由于冷卻液長期保持著底流動速度，就十分容易在局部位置，出現溫度更高的問題，進而使得發動機的運行效果受到一定程度的影響。因此需要針對這方面的問題，進行相應的改進，以此保障進行優化處理。

首先，需要針對缸體的冷卻水套，在冷卻液的入口位置，需要進行高度的調整，可以將其降低大概15mm的位置。這樣的調整優化方案下，可以很好的保障在冷卻液流動的過程中，不會由于流動速度的不均勻，而在外壁面出現旋渦的問題，進而保障冷卻液能夠在流動的過程中，始終處于單線流動的情況。

其次，還需要對缸體冷卻水套的冷卻液，在上水孔進行相應的結構優化調整。能夠保障有效的提升排氣側的冷區液流動的質量，同時避免出現流動質量的不均勻性問題，進而最大程度的讓缸體冷卻水套，能夠在上水孔位置進行去除。通過這樣的優化處理之后，使得可以很好的保障，在上水孔的分布當中，有著合理性。

4.3 優化方案比較

在對其優化處理之后，需要與原發動機進行比較分析。通過比較后發現，經過優化處理后，能夠很好的提升冷區液的流動速度。但是，雖然在第四缸位置上，流動速度始終不足，對于原機型的效率之后，已經有著明顯的提升。在缸體冷卻液水套的頂部位置，已經有著較為明顯的提升。同時，對于缸體冷卻水套的頂部位置上，發揮出了最大的作用。同時在優化處理之后，也有效的提升了缸體上水孔位置的流動質量。

在相關數據分析后發現，通過發動機的優化調整，使得發動機運行過程中的溫度不均勻問題得到了控制，進而保障運行效率的有效提升。在這樣模型分析比較之后，使得對原本的發動機進行了系統性的改良，不僅僅能夠有效的緩解運行過程中出現的諸多問題，同時也是有效的提升冷卻液的作用，使得在發動機的整體運行過程中，始終保持著較高的冷卻效能。而對于產生的例如旋渦問題，都可以通過這樣的優化分析方法進行調整，以此保障對低流速的區域，進行合理的優化調整，避免運行中溫度控制不當的問題出現。

5? 總結

綜上所述，在本文的分析過程中，首先對發動機缸體冷卻水套，進行了CFD分析，之后則需要對模型當中反應的一些問題，進行相應的優化設計。通過對設計效果的觀察發現，本設計能夠有效的進行結構性的優化和調整，進而保障發動機運行過程中，有著較高的效率性。

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