某型柴油機水泵-水套聯合模型CFD分析

周蕓夢 羅扉 劉功曉

摘要： 散熱性能優良的冷卻系統對柴油機動力性、可靠性的提升有著重要的影響[1]，為深入了解冷卻系統在冷卻過程中的具體細節，冷卻水套內的流動問題已是重要研究課題[2]，獨立對冷卻水套進行研究不足以了解整個冷卻系統的匹配問題和冷卻能力，因此在原水套模型基礎上增添一個冷卻水泵模型，構成水泵-水套聯合模型進行分析。本文搭建某型柴油機水泵-水套聯合分析模型，采用多重參考模型（MRF）對其冷卻系統進行分析。

Abstract： The cooling system with excellent heat dissipation performance has an important impact on the improvement of engine power and reliability. In order to deeply understand the specific details of the cooling system in the cooling process， the flow problem in the cooling water jacket has become an important research topic. Independent research on the cooling water jacket is not enough to understand the matching problem and cooling capacity of the whole cooling system， Therefore， a cooling water pump model is added to the raw water jacket model to form a water pump inlet model for analysis. In this paper， an analysis model of water pump inlet of a diesel engine is built， and its cooling system is analyzed by MRF calculation method.

關鍵詞： 冷卻系統;水泵-水套;MRF

Key words： cooling system;water pump and water jacket;optimization design

中圖分類號：U464.138+.1??????????????????? ??????????????? 文獻標識碼：A??????????????????? ???????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0048-02

0? 引言

對于以前的柴油機，采用的水泵葉片都是包圍在蝸殼內，且水泵出口與水套的入口之間有一段規則的管路進行連接，水泵的旋轉運動對水套入口冷卻液流動方向影響較小，所以一般水套CFD分析時不需要考慮水泵對分析結果的影響。但是隨著現代柴油機的結構越來越緊湊，水泵出口與發動機水套入口的距離也在縮短。對于某些柴油機，水泵的蝸殼為缸體的一部分，水泵出口距離水套入口較近，水泵的旋轉運動對水套入口的流場影響較大，因此，在對水套進行CFD計算時，需要考慮水泵對水套的影響，加入水泵模型。

1? 模型搭建

本文研究的柴油機冷卻水套包括水泵、缸體水套、缸墊、缸蓋水套。該柴油機水泵葉片一側包圍在蝸殼內，另一側直接嵌入柴油機缸體，且水泵出口與水套入口距離很近，并由一段不規則的扁平通道連接，具體幾何模型如圖1所示。

對水套模型進行網格劃分，采用多面體網格，并添加邊界層網格，整個計算域網格數約為300萬，計算網格模型如圖2所示。

2? 計算方法及邊界條件

MRF模型是一種定常計算模型，假定模型中的網格單元做勻速運動，這種方法對網格區域邊界上各點的相對運動基本相同的問題適用。MRF模型是將整個計算區域分成多個小子域，每個子域有著各自的運動方式，或靜止或旋轉，控制方程在每個子域內分別進行求解，再對不同旋轉或移動速度的各個區域進行穩態近似，因此當邊界上的流動區域幾乎均勻混合時，這種方法比較適宜。大多數時均流動都可以用MRF模型進行計算，特別是在運動網格區域與靜止網格區域間的相互作用比較微弱時可以使用MRF模型進行計算[2]，因此，本文采用MRF模型對柴油機的冷卻系統進行CFD計算。

水泵進口邊界處設置為速度進口條件，根據該水泵設計標準，冷卻水入口流速為271.3L/min;動域葉輪與靜域泵腔之間相互重合的圓弧表面設為Interface面;壁面設為無滑移固壁條件，在近壁區采用標準壁面函數，壁面粗糙度為40μm，湍流模型采用K-Epsilon Turbulence。具體邊界條件如表1所示。

3? CFD計算結果分析

對柴油機冷卻系統進行CFD計算，計算穩定后，對計算結果進行分析。對各缸進口的冷卻液流量進行統計，結果如表2所示。結果顯示，各缸缸體水套入口之間的分水量極不均勻，這可能是由于入口流量受水泵的影響所致。由于各缸水套之間是連通的，冷卻液可在缸體內部流動進行調節，因此各缸入口分水量的不均勻不能說明水套的冷卻效果不好，需要對關鍵部位進一步分析。

對柴油機各缸上水孔的冷卻液流量進行統計，結果如表3所示。結果顯示，各缸上水孔的冷卻液流量總和較為均勻，說明冷卻液在各缸之間進行調整后，逐漸趨于均勻，需要對關鍵部位進一步分析后，才能對冷卻性能進行判斷。

高熱負荷區為油環在柴油機上止點的位置到火力面之間的區域，此區域受到的熱負荷較大，需要的冷卻能力也較大，此區域冷卻液流速的設計要求為大于1m/s。通過缸體高熱負荷區域切片速度云圖，發現第1缸水泵側以及第4缸進氣側部分區域小于0.5m/s，但是通過對冷卻液流速的數據統計發現，均值均大于1m/s，滿足設計要求，具體結果如圖3、表4所示。

對柴油機缸蓋下層水套進行分析，CFD計算結果顯示進排氣門間的過水流速均滿足要求，各部位的過水流速均大于目標值，具體結果如圖4、表5所示。

4? 結論

①隨著現代柴油機的結構越來越緊湊，水泵出口與發動機水套入口的距離也在縮短，為了得到更加準確的模擬計算結果，須在柴油機冷卻水套CFD分析過程中考慮水泵的影響，并以此來分析和評價水套內流場分布和冷卻能力。

②本文對某型柴油機水泵式入口冷卻系統進行分析，結果顯示，水套均勻性，高熱負荷區、下層水套等重點區域的冷卻液流速均滿足設計要求。

參考文獻：

[1]周龍保.內燃機學[M].三版.北京：機械工業出版社，2010.

[2]張福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].清華大學出版社，2004.

[3]朱紅鈞，林元華，謝龍漢.FLUENT流體分析及仿真實用教程[M].北京：人民郵電出版社，2010：221-222.