基于STAR-CCM+的冷卻水套三維仿真分析

徐英英， 文懷興， 譚禮斌， 袁越錦

( 陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院, 西安 710021)

隨著人們對發(fā)動機小型化、高效率、低排放要求的提高，發(fā)動機缸體、缸蓋熱負(fù)荷和機械負(fù)荷也明顯增加，發(fā)動機冷卻問題受到更多的關(guān)注[1]。若發(fā)動機冷卻水套設(shè)計不合理，冷卻能力不足，會導(dǎo)致發(fā)動機動力性下降，甚至造成局部過熱而產(chǎn)生熱疲勞現(xiàn)象[2-3]。冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，采用常規(guī)的試驗無法獲取其內(nèi)部冷卻液流動情況及進(jìn)行均勻性的判定。在這種情況下，基于計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics，CFD)的數(shù)值模擬方法則證明具有真正的工程應(yīng)用價值[4-5]。魏丹等[6]采用AVL-FIRE 對缸內(nèi)燃燒過程和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行CFD 模擬，為熱固耦合提供所需的熱流場結(jié)果邊界。王勛[7]采用Fluent搭建了某國產(chǎn)四缸發(fā)動機冷卻水套CFD分析模型。畢玉華等[8]采用CFD技術(shù)研究了發(fā)動機水套內(nèi)冷卻液流動均勻性對結(jié)構(gòu)熱變形的影響，為水套的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論指導(dǎo)。李君等[9]利用STAR-CCM+軟件對拖拉機發(fā)動機機艙內(nèi)部流場進(jìn)行了分析，為機艙散熱優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。曾意等[10]結(jié)合熱力學(xué)分析技術(shù)對發(fā)動機冷卻水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提升水套綜合性能。Wahono等[11]基于CFD技術(shù)對發(fā)動機缸內(nèi)流動進(jìn)行了數(shù)值模擬及實驗驗證，證明了CFD預(yù)測結(jié)果的有效性。譚禮斌等[12]利用STAR-CCM+軟件對冷卻水套進(jìn)行了共軛傳熱分析，分析了發(fā)動機兩缸間的溫度差異，為發(fā)動機溫度場的評估提供了參考。Gavali等[13]對比分析了不同水套結(jié)構(gòu)間的差異，為水套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了仿真數(shù)據(jù)支撐。從中外的研究來看，學(xué)者逐漸采用CFD仿真技術(shù)與實驗驗證進(jìn)行工程問題分析，且CFD技術(shù)已成為研究發(fā)動機散熱冷卻及其附屬零部件流場特性的重要手段[14-15]。

高效的冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機熱效率及排放都具有重大的意義[16]。因此，以某發(fā)動機冷卻水套為研究對象，采用 CFD 分析軟件 STAR-CCM+進(jìn)行流場分析研究，并提出基于冷卻液流動路徑及速度分布均勻性的冷卻水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法，對現(xiàn)有冷卻結(jié)構(gòu)水套進(jìn)行針對性地改進(jìn)設(shè)計，提升水套散熱性能；同時結(jié)合實驗驗證及方法應(yīng)用驗證水套改進(jìn)方法的可靠性。研究結(jié)果可為發(fā)動機冷卻水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 冷卻水套CFD分析

1.1 物理模型

冷卻水套流體域模型如圖1所示。采用STAR-CCM+中多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格技術(shù)對冷卻水套計算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分完成后網(wǎng)格數(shù)為4×106個。

圖1 冷卻水套流體域模型

1.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

應(yīng)用CFD方法計算時假設(shè)冷卻介質(zhì)的流動是三維不可壓縮的湍流流動[17]。流體運動遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。湍流模型選用k-ε模型，近壁面區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來求解冷卻介質(zhì)的流動問題[18]。盡管各流動控制方程的物理意義不同，但都可以表示為[19-20]

(1)

式(1)中：ρ為流體密度，kg/m3；u為流體速度，m/s；t為時間，s；φ為通用變量，可代表速度、溫度等求解變量;Γ為廣義擴散系數(shù)；S為廣義源項。

冷卻介質(zhì)選用體積分?jǐn)?shù)均為50%的水和乙二醇的混合液，其密度為1 038.357 7 kg/m3，動力黏度為0.000 98 Pa·s，溫度為80 ℃。水套入口采用質(zhì)量入口邊界，35 L/min時質(zhì)量流量為0.605 7 kg/s；水套出口采用壓力出口邊界，壓力為0；壁面采用STAR-CCM+中的Two-layer All Y+ Wall Treatment函數(shù)處理，采用無滑移壁面條件[21]。壁面溫度采用均勻的溫度場，即缸頭水套壁面溫度為120 ℃，缸墊壁面溫度為110 ℃，缸體水套壁面溫度為100 ℃。

2 CFD計算結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 CFD分析結(jié)果

經(jīng)過CFD計算，獲得水套內(nèi)冷卻液速度分布、冷卻水套壓力分布及換熱系數(shù)分布如圖2～圖4所示。結(jié)果顯示：發(fā)動機排氣鼻梁區(qū)及進(jìn)氣鼻梁區(qū)的冷卻液流速較低，且鼻梁尖銳處存在速度死區(qū)；靠近發(fā)動機出口處的冷卻液流速最大，總體來說，現(xiàn)冷卻水套的散熱性能較差。冷卻水套進(jìn)出口壓降約為14 kPa。換熱系數(shù)分布與冷卻液速度分布具有相同的趨勢，鼻梁區(qū)呈現(xiàn)出的換熱系數(shù)值為3 000 W/(m2·K)，不能滿足高溫區(qū)域的換熱系數(shù)需在5 000 W/(m2·K)以上的設(shè)計要求。

圖2 冷卻水套速度分布

圖3 冷卻水套壓力分布

圖4 冷卻水套換熱系數(shù)分布

圖5所示為缸孔冷卻液流量分配情況。結(jié)果顯示：靠近排氣鼻梁區(qū)的兩缸孔(缸孔1、2)流量占比為33.6%，靠近出口區(qū)域的兩缸孔(缸孔3、4)流量占比為31.6%，靠近進(jìn)氣側(cè)鼻梁區(qū)的兩缸孔(缸孔5、6)流量占比為22.6%，遠(yuǎn)離出口的兩缸孔(缸孔7、8)流量占比為10.03%。整體來看，排氣鼻梁區(qū)流量占比較少，出口區(qū)域流量占比較多，流量分布極不合理。圖6所示為冷卻液流動路徑分析。從排氣側(cè)端看，缸孔1、缸孔2主要是冷卻排氣鼻梁區(qū)下部，缸孔7、8主要是流向缸頭水套，冷卻排氣鼻梁區(qū)上部，從高溫區(qū)域重點照顧的原則來看，該4個缸孔的流量占比應(yīng)占60%以上，才能滿足高溫區(qū)域的散熱。從進(jìn)氣側(cè)端看，缸孔3、4直接流向缸頭水套出口，直接流失，利用率不大。缸孔5的冷卻液部分也會直接從出口流失。基于上述分析可知，排氣側(cè)缸孔需增大，進(jìn)氣側(cè)缸孔需減小，使流量分配更加合理，提升冷卻液的利用率。

圖5 缸孔流量分配情況

圖6 冷卻液流動路徑分析

2.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

基于冷卻流動路徑及速度分布均勻性的分析，提出相應(yīng)的水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，即采取合理的缸孔大小及位置布置、速度死區(qū)消除處理(鼻梁尖銳端削除)。圖7所示為冷卻水套新缸孔布局及流量分配結(jié)果。結(jié)果顯示：缸孔1、2、7、8的冷卻液流量占比之和為72%，超過60%的冷卻液流經(jīng)此四缸孔后冷卻排氣鼻梁區(qū)，利于高溫區(qū)域散熱冷卻。圖8所示為冷卻水套換熱系數(shù)分布云圖。換熱系數(shù)(heat transfer coefficient, HTC)是指在穩(wěn)定的傳熱條件下，維護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為 1 ℃，單位時間通過單位面積傳遞的熱量，反映了傳熱過程的強弱。換熱系數(shù)能夠很好地表征冷卻水套的冷卻能力。換熱系數(shù)越高，表示冷卻效果越強[22]。缸頭上層水套鼻梁區(qū)的換熱系數(shù)達(dá)到10 000 W/(m2·K)，缸頭下層水套鼻梁區(qū)換熱系數(shù)大部分區(qū)域也達(dá)到了10 000 W/(m2·K)，缸體水套(排氣側(cè)、進(jìn)氣側(cè))大部分區(qū)域換熱系數(shù)也都保持在5 000 W/(m2·K)以上。由上可知，構(gòu)建的冷卻水套模型基本可滿足高溫區(qū)域的換熱系數(shù)保持在5 000 W/(m2·K)以上且整體換熱系數(shù)分布均勻合理的設(shè)計要求。在水套幾何尺寸以及流體物性參數(shù)不變的情況下，換熱系數(shù)的大小跟液體的流速有著至關(guān)重要的關(guān)系，換熱系數(shù)越大且分布均勻的區(qū)域代表著該區(qū)域冷卻液流速越大且分布均勻，利于散熱。

圖7 冷卻水套新缸孔布局及流量分配

圖8 冷卻水套換熱系數(shù)分布

2.3 實驗驗證及方法應(yīng)用

將改進(jìn)水套制作樣件后進(jìn)行發(fā)動機臺架實驗測試，獲得發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下缸溫，并與原水套下發(fā)動機缸溫對比，結(jié)果如圖9所示。結(jié)果顯示：改進(jìn)水套對應(yīng)的缸溫降低，最高可比原水套的缸溫降低20 ℃(發(fā)動機轉(zhuǎn)速8 000 r/min)。表明結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的冷卻水套散熱性能提升明顯。

圖9 缸溫溫度對比

為驗證水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法的普適性，采用基于流動路徑分析及速度分布合理的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方法對某雙缸發(fā)動機冷卻水套進(jìn)行對比分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)，分析結(jié)果如圖10、圖11所示。結(jié)果顯示：改進(jìn)后的水套結(jié)構(gòu)右缸排氣側(cè)及鼻梁區(qū)區(qū)域的速度明顯增加，有利于該缸高溫區(qū)域的冷卻。左缸排氣側(cè)及鼻梁區(qū)區(qū)域的冷卻液速度也略有改善。由此可證明，基于CFD仿真分析方法對冷卻水套流動路徑及速度分布進(jìn)行詳細(xì)解析后對冷卻水套進(jìn)行針對性地結(jié)構(gòu)改進(jìn)，可獲取冷卻水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，提升冷卻水套散熱性能。該方法可適用于單缸、雙缸及多缸發(fā)動機冷卻水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計及改進(jìn)。研究結(jié)果可為冷卻水套開發(fā)及設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

圖10 某雙缸發(fā)動機原冷卻水套速度分布

圖11 某雙缸發(fā)動機冷卻水套改進(jìn)后的速度分布

3 結(jié)論

采用CFD分析方法對某發(fā)動機水套進(jìn)行了流場分析，基于冷卻液流動路徑及速度分布，提出了水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。改進(jìn)后72%的冷卻液流經(jīng)排氣鼻梁區(qū)區(qū)域，且滿足高溫區(qū)域的換熱系數(shù)保持在5 000 W/(m2·K)以上且整體換熱系數(shù)分布均勻合理的設(shè)計要求。冷卻水套改進(jìn)后，發(fā)動機缸溫最高可降低約20 ℃。采用類似的改進(jìn)方法應(yīng)用于雙缸發(fā)動機水套改進(jìn)，改進(jìn)后也可促使高溫區(qū)域的散熱得到明顯改善。研究結(jié)果可用于發(fā)動機冷卻水套結(jié)構(gòu)設(shè)計及改進(jìn)的理論指導(dǎo)。