水套分析集成設(shè)計(jì)

1、隨著發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，人們對排放性、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性要求不斷提高，為了更好地保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作于正常溫度下，一種新型的冷卻方式一一缸蓋集成排氣歧管式的冷 卻水套應(yīng)運(yùn)而生。集成排氣歧管冷卻水套有效地降低了在滿負(fù)荷及接近滿負(fù)荷區(qū)域中的油 耗，也減小了在歐洲運(yùn)行循環(huán)試驗(yàn)中的C02排放量，同時(shí)也改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱循環(huán)以及汽 車客艙的預(yù)熱。但是由于缸蓋集成排氣歧管后，復(fù)雜性加大且排氣歧管處水套若設(shè)計(jì)不完 善會(huì)造成缸蓋熱負(fù)荷急劇加大。近年來，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件的發(fā)展，越來越 多地用模擬計(jì)算方法。同時(shí)，2006年，郭立新等科研人員采用直接熱流耦合的計(jì)算方法計(jì)算了某汽油機(jī) 汽缸蓋和機(jī)體的溫度場，測點(diǎn)

2、計(jì)算值和實(shí)際值的最大誤差約為7.64%，反映該方法具有足 夠的精度。本文運(yùn)用STAR-CCM+軟件對整個(gè)水套進(jìn)行了流場分析，獲得了速度場、壓力場 及換熱系數(shù)的分布，可對冷卻效果進(jìn)行評價(jià)，為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的設(shè)計(jì)提供參考。1計(jì)算模型及計(jì)算方法1.1建橫及網(wǎng)格劃分基于排氣歧管水套處的冷卻水的來源不同，可以建立以下幾種模型，以討論不同的 冷卻液流動(dòng)形式對缸蓋缸體主水套帶來的影響。以上三個(gè)方案為帶有排氣歧管水套的整體水套，為簡化計(jì)算，略去了機(jī)油冷卻器等。 整個(gè)冷卻水套模型包括水泵（為簡化計(jì)算，對水泵部分只保留部分渦形空腔）、缸體水套、 缸蓋水套、排氣歧管水套、缸墊水孔。該模型包括一個(gè)進(jìn)口（水泵進(jìn)口）和兩

3、個(gè)出口（缸 蓋水套出水口及缸體水套出水口）。下面分別對每個(gè)模型的冷卻液具體流動(dòng)情況進(jìn)行說明： 方案一：冷卻液由水泵入口處進(jìn)入，整個(gè)冷卻水路分為三個(gè)部分：一部分由布水道 處的上水孔進(jìn)入缸蓋進(jìn)氣側(cè)，之后流到排氣側(cè)由出水口流出；一部分進(jìn)入缸體水套冷卻； 另一部分進(jìn)入缸體之后由缸體的上水孔流入排氣歧管水套，令卻排氣歧管之后與來自缸體 的冷卻液匯合，最后由同一出口流出（見圖1 ）。圖1水套模型（方案一）方案二：冷卻液由水泵入口處進(jìn)入，一部分進(jìn)入缸體進(jìn)行令卻之后由獨(dú)立的缸體出 水口流出；一部分由缸體布水道上的上水孔進(jìn)入缸蓋進(jìn)氣側(cè)之后流入缸蓋排氣側(cè)，從缸蓋 頂側(cè)至下流過兩排氣道之間的鼻梁區(qū)后流到底層排氣歧管

4、水套；另一部分由缸體的上水孔 流入頂層排氣歧管進(jìn)行令卻，之后與底層的排氣歧管令卻液一起由出口處流出（見圖2 ）。圖2水套模型（方案二）方案三：冷卻液分為兩部分：一部分由布水道進(jìn)入缸體,令卻缸體后由缸體出水口 流出；另一部分由布水道處的上水孔進(jìn)入缸蓋進(jìn)氣側(cè)之后流入缸蓋排氣側(cè)，至上而下流過 兩排氣道之間的鼻梁區(qū)后，流入排氣歧管進(jìn)行令卻之后由缸蓋出水口流出（見圖3 ）。圖3令卻水套幾何模型（方案三）1.2數(shù)學(xué)模型及邊界條件數(shù)學(xué)模型流體運(yùn)動(dòng)是最復(fù)雜的物理行為之一，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)力分析等問題相比，其建 模與數(shù)值模擬要復(fù)雜的多。但是，對于任何復(fù)雜的湍流流動(dòng)，N-S方程都是適用的。冷卻 水套中冷卻液的流

5、動(dòng)，其實(shí)質(zhì)就是流體流動(dòng)與換熱問題。同時(shí)令卻水套內(nèi)的流體流動(dòng)為湍流流動(dòng)，需要附加湍流方程。湍流模型的選取要視 具體情況而定，本模型中選取標(biāo)準(zhǔn)k- &湍充模型。邊界條件及參數(shù)設(shè)置本次計(jì)算加載的邊界條件如下：水泵渦形腔進(jìn)口邊界條件采用流量邊界條件，取發(fā)動(dòng)機(jī)最大負(fù)荷下的水泵流量 190L/min ,進(jìn)口令卻液溫度設(shè)定為90。出口采用壓力邊界條件，取壓力值1.5bar整個(gè)模型采用分離流體溫度條件，缸體壁面溫度設(shè)定為100。，缸蓋壁面溫度設(shè) 定為120。2結(jié)果分析2.1總壓降由于冷卻水套中各部位壓力的絕對值與出口處壓力值及參考壓力的設(shè)定有關(guān)，且主 要關(guān)注的是整個(gè)水套中的總壓降，為避免誤解，這里略去各部位壓

6、力的數(shù)據(jù)值。由于進(jìn)出 口壓差可以反映出冷卻液在水套中的總流動(dòng)損失，壓差應(yīng)越小越好，一般計(jì)算總壓損失， 不同的發(fā)動(dòng)機(jī)水套可以接受的范圍是不同的。同時(shí)要求冷卻液在進(jìn)、出口處不得有急劇的 壓力降，水流沿程的壓力變化應(yīng)緩和。本文通過統(tǒng)計(jì)進(jìn)出口的總壓降來查看三個(gè)水套的壓 力場是否合格，經(jīng)過計(jì)算統(tǒng)計(jì)，方案一進(jìn)出口壓損為1.32bar，方案二進(jìn)出口壓損為 0.88bar，方案三進(jìn)出口壓損為0.77bar。相對于水泵的揚(yáng)程，三個(gè)方案的壓力損失均在可 以接受的范圍內(nèi)（在可以接受的范圍內(nèi)時(shí)，整個(gè)水套的壓力損失越小越好）。圖中顏色變化比較大的地方即是壓力損失較大區(qū)域，由圖4-6可以看出，三個(gè)方 案中缸體水套的上水孔

7、均出現(xiàn)較大的壓力損失，此處作為缸體水套中冷卻水的出口，壓損 的產(chǎn)生是不可以避免的，同時(shí)也說明可以通過調(diào)整此處水孔的大小來調(diào)節(jié)缸體水套的流量。 同時(shí)注意到，方案一（圖4）由于排氣歧管中冷卻液通過上水孔全部來自于缸體水套，整 個(gè)壓力損失比較大。圖4壓力場分布（方案一）圖5壓力場分布（方案二）圖6壓力場分布（方案三）2.2速度結(jié)果分析 缸蓋速度分析如圖7-9為缸蓋速度場分布，分析上圖，可知方案二和方案三的缸蓋速度分布比 較均勻，且流速較方案一明顯提高。究其原因，方案一排氣歧管水套從缸體單獨(dú)引水，在 總進(jìn)水量保持不變的條件下，勢必造成缸蓋水套流量減小（見表1），導(dǎo)致總體速度降低。 方案三（圖9）由于缸

8、蓋水套中冷卻液自排氣道鼻梁區(qū)至上而下流過后，全部流經(jīng)排氣歧 管水套進(jìn)行冷卻，不但使得缸蓋水套沒有因?yàn)榕c排氣歧管集成而受到不利影響，提高了缸 蓋主水套中的冷卻液流速，同時(shí)排氣歧管水套因?yàn)椴挥每紤]分流量的多少，流過缸蓋后全 部流經(jīng)排氣歧管進(jìn)行冷卻，也使得其流速大大提高。各方案中各部分的流量分配比例見表 1。圖7缸蓋速度場分布（方案一）圖8缸蓋速度場分布（方案二）圖9缸蓋速度場分布（方案三） 表1各方案流量分配（L/min）缸蓋 體 排氣歧管方案方案二120. 7961. 735-. 0W方案三133. 62&1.3S4 甑在 S如圖10-12為各方案兩排氣道之間鼻梁區(qū)的流速分布，此位置是缸蓋中熱負(fù)

9、荷較 大的區(qū)域，為保證良好的令卻效果，一般會(huì)要求此處區(qū)域的流速在2m/s以上。如圖10 , 方案一一缸鼻梁區(qū)流速平均在1m/s左右，而二三缸鼻梁區(qū)流速則低于0.5m/s，四缸鼻梁 區(qū)流速則達(dá)到2.5m/s，鼻梁區(qū)的冷卻不均勻，也沒有達(dá)到令卻要求。對比圖11和圖12 , 兩者主要區(qū)別在于二三缸鼻梁區(qū)的流速上，方案二中二三缸流量較一四缸低，導(dǎo)致此兩缸 流速較低，四個(gè)缸的鼻梁區(qū)流速分不不均勻；而方案三中各缸鼻梁區(qū)流量分配均勻（表 2 ），因此流速分布也很均勻（圖12 ）,且均處于2.5m/s左右，可有效降低排氣道處的 溫度。圖10排氣道間鼻梁區(qū)流速分布（方案一）圖11排氣道間鼻梁區(qū)流速分布（方案二）

10、圖12排氣道間鼻梁區(qū)流速分布（方案三） 表2各方案鼻梁區(qū)間流量（L/min）方髭3. 69狷3 4方案二 7.35方案W 9.S69. 22S. &92.2.缸體速度分析缸體相對于缸蓋來說，整體熱負(fù)荷并不大，一般會(huì)要求缸體火力面處的流速大于 0.5m/s，同時(shí)要求缸體流速較為均勻，不要有大片的流動(dòng)死區(qū)出現(xiàn)。由圖1-3可知，由于 此冷卻水套為分流式水套，缸體與缸蓋水套互不干擾，令卻液由缸體入口處流入之后，分 別流向缸體進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)后由出口流出，因此缸體中的冷卻液流量對流速的分布起著至 關(guān)重要的作用。由圖13-15及表1可以看到，方案二缸體流量最大，因此整個(gè)的流速分布 也相對好一些。比較方案一和

11、方案三，兩者缸體流量均為51L/min，但由于方案一中排氣 歧管水套中冷卻液完全通過上水孔1流入，使得缸體排氣側(cè)受到影響，其中一缸影響最大， 四缸由于靠近出口處加快了流動(dòng)，所受影響稍小一些，缸體水套流速分布極其不均勻，因 此不建議完全從缸體取冷卻液來冷卻排氣歧管。對比方案二和方案三，由于方案二缸體流 量較大且缸體取水孔取水量7.51L/min （對比方案一，取水量為44.23L/min），缸體水 套并沒有產(chǎn)生不利影響；但是從前述分析可知，由于方案二缸蓋流量較少（排氣歧管水套 中分流出一部分），整體流速較低，對于重點(diǎn)需要冷卻的部位（噴油器火花塞附近，各缸 鼻梁區(qū)）均存在著流速較低且分布不均勻現(xiàn)象

12、。綜上述分析，三種方案中建議采用方案三。圖14缸體流速分布（方案二）圖15缸體流速分布（方案三）3結(jié)論1）本文利用某流體軟件對三種方案的冷卻水套進(jìn)行了計(jì)算，通過分析各自的壓力場、 速度場及換熱系數(shù)的分布，可以比較得出各方案的優(yōu)劣性，在產(chǎn)品研發(fā)階段中起著重要作 用。2）缸蓋集成排氣歧管式的冷卻水套由于整個(gè)水套分為缸蓋、缸體、排氣歧管三個(gè)部 分，在水泵所提供的流量不變的前提下，各部分冷卻液流量的分配和排氣歧管水套中冷卻 液的來源對整個(gè)水套會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要反復(fù)推敲驗(yàn)證。3）通過分析可知：方案一由于排氣歧管水套中冷卻液全部來自缸體水套，對缸體的 排氣側(cè)造成影響（尤其是一缸取水位置），而且整個(gè)水套會(huì)分為三部分，為兼顧排氣歧管 和缸體中適當(dāng)?shù)牧髁?，缸蓋流量小于其所需流量，造成缸蓋流速分布較低；方案二排氣歧 管水套中冷卻液一部分來自缸體，一部分來自缸蓋，除了需要合理控制來自缸體的冷卻液 流量外，對缸蓋水套的均勻性也需要重點(diǎn)把握；相對來說，方案三流過缸蓋鼻梁區(qū)的冷卻 液全部流到排