基于STAR-CCM+的雙節溫器總成流阻特性數值模擬

王鳳娟，李雷，曾超，付春雨，劉文濤，薛厚慶

（1.261061 山東省 濰坊市 內燃機可靠性國家重點實驗室；2.261061 山東省 濰坊市 濰柴動力股份有限公司）

0 引言

節溫器是發動機冷卻系統的關鍵零部件，通過對其閥片開度的控制，實現對發動機冷卻系統大循環與小循環的動態調節，對于整車冷卻循環具有重要意義[1-2]。目前，為加大冷卻液流動面積、強化冷卻效果、增強節溫器工作可靠性，越來越多的大排量柴油機冷卻系統采用雙節溫器配置。其中，雙節溫器流阻特性的準確性直接影響整車冷卻系統流量和壓力分布[3-4]。劉吉林等[5]以冷卻系統一維計算的流量結果為邊界，進行節溫器三維壓力場分析，獲得了節溫器主閥壓力值；譚禮斌等[6]通過研究不同節溫器狀態對散熱器整體流動阻力的影響，獲得了節溫器不同小循環管路內徑值與流動阻力間的變化關系，依據流場分析結果為結構改進提供支持；趙前進[7]、孔祥健等[8]采用一維和三維聯合分析模擬調溫器總成的壓力場和流動分布，為調溫器主副閥彈簧力選擇及結構優化提供數據支持。上述文獻主要以單節溫器為研究對象，未涉及雙節溫器總成的仿真分析。而在對雙節溫器配置的整車冷卻系統進行流量和壓力仿真時，發現供方所提供的雙節溫器流阻特性是通過把單個節溫器安裝在工裝上測試獲取的。但雙節溫器總成中2 個節溫器布置存在差異，流量分配不均勻，且內部介質存在較大的流動速度變化，導致雙節溫器總成阻力要比供方提供的單個節溫器阻力大。

本文以某發動機雙節溫器總成為研究對象，通過三維CFD 數值模擬獲得其流阻特性，以此為仿真輸入，進行整車冷卻系統一維計算，以獲取各水冷部件在額定工況下的流量分配與節點壓力分布。通過對雙節溫器總成樣件進行臺架測試，獲取其試驗流阻特性，驗證流阻特性仿真的精確度；對實車進行系統壓力測試，以對標冷卻系統一維計算結果，驗證一維仿真方法的準確性。

1 雙節溫器總成流阻特性分析

1.1 模型建立及邊界定義

以某發動機雙節溫器總成為例，其處于全開狀態下的三維模型（含節溫器蓋與部分出水管）如圖1 所示。提取雙節溫器內部流道進行流阻特性仿真，生成的過流壁面CFD 模型和局部體網格剖視圖如圖2 所示。

圖1 雙節溫器總成三維模型Fig.1 3D model of dual thermostat assembly

圖2 流場仿真模型Fig.2 Flow field simulation model

計算時，選定流體為50%的冷卻液，即水和乙二醇的比例為1∶1；介質參數為90 ℃下冷卻液的密度及動力粘度。計算模型采用k-ε湍流模型；入口采用垂直于入口截面的流速入口，出口采用壓力出口邊界。

1.2 流阻特性計算

分別對多組不同進口流量下的仿真模型進行CFD 流場仿真分析，通過進、出口所在截面的壓力均值計算各流量下的雙節溫器總成進、出口總壓壓降ΔP，結果如表1 所示。

表1 流阻仿真結果Tab.1 Simulation results of flow resistance

以600 L/min 流量下的雙節溫器總成流場仿真為例，其速度云圖（以雙節溫器體所在中心面為視圖剖面）及速度流線圖分別如圖3、圖4 所示，可知冷卻液在2 個節溫器間的流動是不一致的，且在節溫器內部小間隙處流動時存在較大的流速梯度變化。節溫器總成壓力云圖如圖5 所示，可見內部流通截面急劇變化的流域壓力分布不均勻，并產生較大的壓力損失。

圖3 速度云圖Fig.3 Velocity nephogram

圖4 速度流線圖Fig.4 Velocity flow diagram

圖5 壓力云圖Fig.5 Stress nephogram

2 冷卻系統一維計算

2.1 搭建計算模型

額定張力狀態下，FEAD 系統的皮帶長度即為有效長度1 795.3 mm，自動張緊器在名義位置處提供的張緊力矩為48.8 N·m。

基于整車冷卻系統布置，搭建水泵、機體及缸蓋水套、節溫器、油冷器、散熱器等主要用水部件及其連接管路模型[9]，冷卻系統一維模型如圖6所示。

圖6 冷卻系統一維模型Fig.6 1D-model of cooling system

2.2 一維計算參數設置及結果

在發動機額定轉速1 950 r/min下，水泵、油冷器、散熱器的特性參數依據各供方提供的輸入參數進行設定[10]；節溫器流阻特性曲線采用CFD 仿真值；機體及缸蓋水套的流阻特性按照式（1）計算的阻力損失系數[11]進行設置

式中：ΔP——壓力損失，Pa；K——阻力損失系數；ρ——冷卻液密度，kg/m3；Qv——體積流量，m3/s；A——橫截面積，m2。

根據仿真結果，額定工況下的冷卻系統一維流量分布如圖7 所示，各節點壓力分布如圖8 所示。

圖7 各部件流量分布Fig.7 Flow distribution of each component

圖8 各節點壓力分布Fig.8 Pressure distribution at each node

3 流阻特性及水側壓力測試

對節溫器進行流阻特性臺架測試，驗證總成件的CFD 仿真方法可靠性；基于實際整車進行水側壓力測試，校驗一維仿真方法的準確性。

3.1 流阻特性試驗

流阻特性試驗原理及工裝示意圖分別如圖9、圖10 所示。出水管進口及節溫器蓋出口位置分別連接測試裝置的進、出水軟管；傳感器采用GE 德魯克壓力傳感器，上、下游測點分別位于流阻仿真模型的進、出口所在截面位置。

圖9 流阻特性試驗原理圖Fig.9 Schematic diagram of flow resistance characteristic test

圖10 工裝示意圖Fig.10 Schematic diagram of tooling

試驗完成后，提取雙節溫器總成流阻實測結果，并與CFD 仿真結果進行對比，如圖11 所示。由圖11 可知，各流量下的雙節溫器總成仿真流阻與實測值均比較接近，流阻特性曲線吻合性較好，最大偏差僅為8.4%，有效驗證了雙節溫器總成流阻仿真結果的準確性。

圖11 仿真與實測流阻特性對比曲線Fig.11 Comparison curves of flow resistance characteristics between simulation and test

3.2 水側壓力測試

水側壓力測試中各測點布置如圖12 所示。

圖12 壓力傳感器測點位置Fig.12 Testing position of pressure sensor

整車滿油門工作，使水溫升高至節溫器初開隨后至節溫器全開狀態，穩定后取各測點壓力值，并與一維仿真的對應節點壓力進行對比分析，結果如表2 所示。

表2 各測點位置壓力數值Tab.2 Pressure value of each testing position

由表2 可知，各測點壓力仿真值與測試值基本吻合，最大偏差值為3.8%，驗證了冷卻系統一維仿真方法的準確性，進一步印證了所建立的雙節溫器流阻特性仿真模型是精確可靠的。

4 結語

（1）利用STAR-CCM+軟件進行雙節溫器總成CFD 仿真，可獲取部件流阻特性，并作為冷卻系統一維計算的輸入參數，進行整車冷卻系統流量與壓力匹配計算。

（2）基于一維與三維聯合仿真計算，獲取整車冷卻系統部件水流量與節點壓力，指導水冷部件的選型匹配，縮短產品開發周期，助力各細分行業的精準配套。

（3）通過雙節溫器總成流阻特性試驗及整車水側壓力測試，驗證了三維CFD 仿真及冷卻系統一維仿真建模方法的準確性，同時該方法對于其他過流部件的降阻設計與優選適配具有借鑒意義。