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1、某重型柴油机冷却水套CFD计算及优化设计打开文本图片集摘要：本文利用软件AVL-Fire对现有某重型柴油机冷却水套进行了CFD计算，分析冷却液的流动及压力分布。并结合实际的工程需要，对该冷却水套设计提出优化建议。通过CFD计算，对于优化后的水套进行分析，评价冷却液的流动状态，为该款发动机的水套设计提供指导意见。关键词：冷却系统；水套；CFD；优化设计ZHOUYang，ZHOU某iang-jun，LIUZhe，某IONGZhao，GAOLeiKeyWord：coolingytem；waterjacket；CFD；optimaldeign引言随着汽车产业的不断发展，市场对于重型柴油机的需求越来越高
2、。与此同时，大排量柴油机的功率密度也不断提升。伴随着功率密度提升所带来的发动机冷却问题，也越来越严峻1。发动机水套的设计，对于发动机本体的冷却至关重要。一方面，水套设计不合理，有可能会导致关键区域的冷却能力不够，从而出现缸盖开裂等现象。另一方面，冷却系统的流动损失太大，会导致冷却系统效率下降，发动机功耗增加2。在发动机水套设计过程中，CFD计算起到了至关重要的作用3。特别是针对新产品的开发，CFD计算能够在设计阶段介入工作，指导设计师对于水套内流动的组织、关键区域的流量分配等问题进行深入研究，将可能出现的风险进行排除。从而增加效率，节约成本45。本文利用软件AVL-Fire對现有某重型柴油机冷
3、却系统进行CFD计算，提出优化建议，并通过计算，对比分析了优化方案的合理性。1原方案水套计算模型建立1.1原方案水套物理模型水套模型由进口、机冷器、缸体、缸盖、出水口及各管路组成。图1显示了原方案水套模型总体图。图2对缸盖及缸体水套部分进行了说明。其中缸体和缸盖下水套缸间断开，缸体水套壁厚2mm，节流口厚度为0.5mm。缸盖下水套缸间断开缸体与缸盖之间，通过上水孔连接。上水孔的信息如表1所示。水套模型直接从发动机模型中抽取，保证准确性。计算域进口为冷却系统中水泵出口端，计算域出口为冷却系统中缸盖出水口。1.2CFD计算模型本文采用k双方程模型，标准壁面方程。将冷却液视为不可压缩流体，进口边界采
4、用体积流量，出口边界采用压力梯度为0。网格划分时，对进出口进行拉伸，拉伸长度为相应水力直径的2倍。计算介质采用体积比为50%的乙二醇水溶液，密度为1022kg/m3。进口流量根据额定点水泵流量进行换算得到。2优化方案2.1优化方案一由于原水套方案中，上水孔的布置与该机型的上一代机型不同，考虑到缸盖的兼容性，在新一代发动机中，需维持原机型的上水孔方案，具体的水孔信息如表2所示。与此同时，针对原水套方案的水流状况，进行了对应的优化设计，具体的优化方案如下图所示：2.2优化方案二在优化方案一的基础之上，结合工程经验，对缸体水套进行了更进一步的优化，形成了优化方案二。相对于优化方案一，具体的变化如下图
5、4所示：其中，各缸进水口截面积略有下降，并且各缸进水通道做成异型，同时取消了缸体水套内壁面的节流槽。缸体水套壁厚为2.25mm，节流口厚度为1.0mm。3CFD计算结果对比分析通过AVL-Fire软件对不同方案水套的流动分布进行计算，并通过对比各缸上水量、缸盖下水套流速、缸体内壁面流速、鼻梁区流速、压力损失分布等对各方案进行评价。定量说明优化方案的优势。3.1各缸上水量对比不同上水方式，会导致上水量均匀性的不同。额定工况下不同方案各缸上水量对比图如下图5所示：通过对比分析，优化方案一和优化方案二相对于原方案，各缸上水量的呈现相同的变化趋势。由于上水孔布置形式的变化，导致第1缸和第2缸上水量上升
6、，其他各缸上水量相对下降。出于兼容性方面的考虑，需要维持上水孔布置方案与其他机型相同。3.2鼻梁区流速对比鼻梁区属于发动机水套设计的关键区域，该区域热负荷较高。若冷却液流速不达标，会导致缸盖开裂，从而影响发动机的可靠性。所以对于鼻梁区冷却液流速的控制，是至关重要的工作。下图对额定工况下不同方案各缸不同鼻梁区流速进行了对比。图6（a）显示了排-排鼻梁区的流速对比。两种优化方案，排排鼻梁区的流速水平相当。相对于原方案，优化方案整体流速增加，在2-4m/之间，其中第5缸流速达到了4m/。优化方案流速水平达到了设计需求。图6（b）显示了进-进鼻梁区的流速对比。两种优化方案的进-进鼻梁区流速显现出相似规
7、律。相对于原方案，优化方案流速波动更大，但是流速水平提高。其中，第1缸的流速最低，但是也达到了设计要求。图6（c）和图6（d）分别显示了不同方案进气侧进-排鼻梁区流速和排气侧进-排鼻梁区流速对比图。由于该款发动机从之前的试验结果看，以上两区域基本不存在开裂风险，所以对于这两区域的流速要求不高。优化方案的流速水平与原方案相当，可以满足该区域的冷却需求。通过对于不同方案各鼻梁区流速的对比分析，可以发现优化方案在开裂风险比较高的排-排鼻梁区和进-进鼻梁区流速整体有所提高。在开裂风险比较低的进-排鼻梁区流速与原方案水平相当。3.3缸盖下水套流速分布对比缸盖下水套涵盖鼻梁区等关键区域，冷却液在这些关键区
8、域的流动情况，能够反映缸盖水套设计的水平。图7对比分析了额定工况下不同方案的缸盖下水套冷却液流速分布：图7（a）、7（b）、7（c）分别显示了原方案、优化方案一和优化方案二的缸盖下水套流速分布。速度标尺为0-3m/。通过对比，可以发现优化方案下水套整体流速高于原方案，同时进-进鼻梁区和排-排鼻梁区流速也高于原方案，但是各缸流动的均匀性要差。这说明缸盖水套缸间断开，能够提高各缸流动的均匀性。优化方案二相对于优化方案一，改善了缸间连接处的流动。同时，整体的流动死区面积减小。说明优化方案二中，缸盖水套中冷却液流动更合理。3.4缸体水套内壁面流速分布对比气缸内的高温物质，通过水套内壁面与冷却液进行换热
9、。在此过程中，水套内壁面的流速对于缸体的冷却起到关键作用。通过对比不同方案缸体水套内壁面的流速分布，能够了解缸体水套的冷却液流速水平。具体对比如下图8所示：通过对比分析，优化方案相对于原始方案，缸体内壁面冷却液流速明显水平明显提高。缸体水套上部不存在流动死区，流速高于1m/，缸体水套下部流动死区相对小很多。此外优化方案二的水套冷却液流动状态更合理，流动死区面积更小。这说明，优化方案二对于冷却液在缸体水套中的流动有明显的改善。3.5压力损失分布对比合理的水套设计，一方面要兼顾关键区域的流动状态，另一方面要考虑系统的压力损失。压力损失太大，会提高水泵的性能要求，从而增加水泵的功耗，恶化燃油经济性，
10、所以在水套设计过程中，希望尽可能降低压力损失。下图对不同方案的压力损失水平进行了对比分析。通过分析，可以发现优化方案二压力损失水平最低，为78.18kPa，优化方案一压力损失水平最高，为81.7kPa。机冷器部分，各方案压力损失水平相当。缸体部分，原方案压力损失远低于优化方案，具体原因是上水孔布置方式不同。原方案采用进排气两侧上水，在增加流通面积的同时，降低了缸体出口的背压。缸盖部分，原方案的压力损失要大于优化方案。这是因为原方案缸盖缸间断开，冷却液流动受阻。从总體压力损失来看，优化方案二压力损失最低。4总结本文根据工程需要，对原有某柴油机水套进行了优化设计。运用软件AVL-Fire对原始方案水套进行CFD计算，通过对于结果的分析，结合工程经验，对于水套提出了两种优化方案。经过CFD计算，从各缸上水量、鼻梁区流速、缸盖下水套流速分布、缸体水套内壁面流速分布和压力损失分布等五个方面，对不同方案的水套进行了对比分析，最终证明优化方案二不管是从工程需求上，还是流动表现上，都是最优的选择。本文所呈现的工作，一方面在工程上对目标发动机的冷却水套进行了优化设计，另一方面详细说明了在进行发动机冷却水套CFD计算时，需要从以上五个方面对计算结果进行详细分析，对于后续工作的开展具有一定的指导意义。