增壓中冷柴油機(jī)缸蓋水套cfd分析

1、 申立中雷基(理工大學(xué)交，云南：應(yīng)用AVL，對(duì)增壓中冷柴油機(jī)氣缸蓋冷卻水套進(jìn)行了三維 CFD 數(shù)值模擬，對(duì)冷卻水及特征點(diǎn) 申立中雷基(理工大學(xué)交，云南：應(yīng)用AVL，對(duì)增壓中冷柴油機(jī)氣缸蓋冷卻水套進(jìn)行了三維 CFD 數(shù)值模擬，對(duì)冷卻水及特征點(diǎn)的溫度、壓力試，為 CFD 計(jì)算提供了準(zhǔn)確的邊界條件測(cè)試。研究結(jié)果表明：氣缸蓋冷卻水套中流和換熱系數(shù)均能滿足冷卻要求，4 缸附近的流速相對(duì)于其他各缸要小 些；進(jìn)入氣缸蓋冷卻水套各缸的流量不均勻，主要是從 1 缸有大量的冷卻水直接進(jìn)入氣缸蓋，容易造成其它缸的冷卻能結(jié)構(gòu)需進(jìn) 步優(yōu)化處，該氣缸蓋 些局：柴油機(jī)；氣缸蓋；水套；CFD 分主：AVL 號(hào): The th

2、ree-al CFD numerical simulation of the cooling water jacket about the super-er-cooled diesel engine is carried on with the AVL FIRE. The temperature and re on characteristic po s cooling water jacket in cylinder head and the mass flow of cooling water entrance are tested to provide accurate boundary

3、 condition for the CFD calculations. The results t the flow speed and the heat coefficientofcoolinghecylinderheadcansatisfythecoolingrequirement,theflowspeedsnearbyforthare nothers;the mass flowofthe fourcooling jacket areunequally, thereare massive coolingwater enter cylinder head directly which wi

4、ll lead to the other cylindersinsufficient cooling. So the further optimize sing requiredtothepartialstructuresofcylinderKeywords: Diesel engine, Cylinder head, Cooling water jacket, 1 前柴油機(jī)水套冷卻液直接影響內(nèi)燃機(jī)冷卻效果、高溫的熱負(fù)荷、柴油機(jī)量分配以及能量利用，冷卻液的溫度還對(duì)排放有較顯著的影響。隨著柴油機(jī)增壓等不同強(qiáng)的采用，有效地改善柴油機(jī)冷卻循環(huán)系統(tǒng)已成為內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容1 - 4 本文以增壓中冷四

5、缸柴油機(jī)的氣缸蓋為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了測(cè)量氣缸蓋冷卻水套水量、溫度、壓力的試驗(yàn)方案，為 CFD 計(jì)算提供準(zhǔn)確的邊界條件，在此基礎(chǔ)上建立了缸蓋卻水套的三模型，對(duì)冷卻水的三維流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算與分析，評(píng)價(jià)了冷卻水套設(shè)計(jì)的荷較大，本文針對(duì)柴油機(jī)標(biāo)定功率點(diǎn)工況進(jìn)行模擬計(jì)算2 FIRE 冷卻水套分析的主要算 ，其中包括很多個(gè)模塊。它采用最先進(jìn)的流場(chǎng)中速度（u, v, w、 溫度 T 服從一個(gè)通用的守恒原理。如果用 I通用控制方程可以表示為 ： div grad 熱、質(zhì)傳遞，流，湍流以及其相關(guān)現(xiàn)象的所有微分方程均可看成是通用控制方程可以表示為 ： div grad 熱、質(zhì)傳遞，流，湍流以及其相關(guān)現(xiàn)象的所有微分方程

6、均可看成是通用控制方界條件22 k- 傳遞、燃燒和兩相流等多。k- 模型包括k 和 的輸運(yùn)方程。k 方程為 k f u ui i Lji C ku pui ij j j D式中 表示湍動(dòng)L 是隨時(shí)間變化的湍動(dòng)能尺度C 是對(duì)流輸運(yùn)項(xiàng)P是k的產(chǎn)物（湍流，當(dāng)Vj xj 0時(shí)，而uiuj 0，對(duì)于大多G 是k 基于體積力的產(chǎn)物 是由于粘性作用的 k 擴(kuò)散（ 總是大于零D 是k 的擴(kuò)散輸運(yùn)(分別是粘性項(xiàng)、速度脈動(dòng)項(xiàng)和壓力脈動(dòng)項(xiàng))3 建立氣缸蓋冷卻水套的模柴油機(jī)氣缸蓋水套結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不規(guī)則曲面較多，因此對(duì)實(shí)體模型作了適當(dāng)簡(jiǎn)化：略內(nèi)圓角、倒角及螺栓搭子等次要細(xì)節(jié)；在缸蓋水套下添加了簡(jiǎn)化的機(jī)體水套模型，以方便條

7、件的輸入。使用 AVL FIRE 前處理網(wǎng)格劃分模塊 FAME 劃分，并在缸墊區(qū)域?qū)W(wǎng)格進(jìn)行加密。柴油機(jī)冷卻水套計(jì)算模型的總網(wǎng)格數(shù)約為 155 萬。體水套網(wǎng)格如圖 1 所示21 整體水套網(wǎng)3 初始條件及計(jì)算邊界條考慮湍流的影響，采用 湍流模1 整體水套網(wǎng)3 初始條件及計(jì)算邊界條考慮湍流的影響，采用 湍流模型模型，并假定流體不可壓縮。氣缸蓋內(nèi)冷卻是在柴油機(jī)工況一定的情況下穩(wěn)定的定邊界條能為 1m2/s2，湍動(dòng)能尺度為 1mm。2定任何物理量的梯度為 03在計(jì)算中采用了假定的壁面溫度場(chǎng)，氣缸蓋平均溫度為 120，缸體平均溫度為 100由于 k-湍流模型只適用于離開壁面一定距離的湍流區(qū)域，因此對(duì)于壁

8、面附近的區(qū)域采壁面函數(shù)法來處理，本文計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)（Standard 該模型對(duì)貼近壁面的網(wǎng)格要求用 y 來反映，計(jì)算公式為 yC y式中，y 為貼近壁面的網(wǎng)格中心離壁面的距離，y為運(yùn)動(dòng)黏度 pas為密度kg m3氣缸蓋冷卻水套的CFD 計(jì)算結(jié)果與分總體情11200 柴油機(jī)冷卻水流場(chǎng)中的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)等參數(shù)是相互聯(lián)系、相互影響的。冷卻水套的總體速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布以及換熱系數(shù)分別由圖 2、圖 3、圖 4 和圖 3 2可以看出，氣缸蓋冷卻水套1、2缸附近的流速較大，并且各個(gè)進(jìn)水孔出現(xiàn)較為劇烈的速度波動(dòng)，水套冷卻水平均流速約為0.46m/s左右，鼻梁區(qū)的平均速度在0.85m/s從

9、圖 3 水套溫度場(chǎng)分布可以看出，柴油機(jī)氣缸蓋水套的入水來自缸體的上水孔，共20 個(gè)上水孔，氣缸蓋水套的出口位于缸蓋的前端，在冷卻水從后向的同時(shí)，每個(gè)的水套還有來自不同位置上水孔的冷卻水加強(qiáng)氣缸蓋鼻梁區(qū)的冷卻證各缸的冷卻均勻性方式有利于氣缸蓋冷卻水套的水溫度要低于其他部位的溫度，溫度場(chǎng)還顯示出排氣側(cè)溫 圖 4 氣缸蓋水套壓力圖 5 氣缸蓋排氣道側(cè)水套表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分 緊密的聯(lián)系，可以看出傳熱系數(shù)的分布（5）與速度場(chǎng)的分布相似，1、2缸附近的值明顯大于其他42 速度驗(yàn)，流速0.5m/s即可滿足冷卻要求，可見，排氣道側(cè)缸蓋水套內(nèi)冷卻水流速明顯高于進(jìn)氣道一側(cè)46 氣缸蓋水套剖面的速度場(chǎng)分圖 7 氣缸蓋斜

10、水孔內(nèi)的速6 氣缸蓋水套剖面的速度場(chǎng)分圖 7 氣缸蓋斜水孔內(nèi)的速度分布及速度矢量氣缸蓋水套每缸在排氣道側(cè)采用了一個(gè)斜水孔，其出口正對(duì)著鼻梁區(qū)附近的水套，其的是利用冷卻水的定來加強(qiáng)熱負(fù)荷很高的鼻梁區(qū)的冷卻。7 為斜水及出口速度分布和速度矢量圖。從計(jì)算結(jié)果來看，來自斜水孔中的流速較高的冷卻水加快了周圍場(chǎng)，使該處的冷卻得到了加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的圖 8 是氣缸蓋兩氣門之間區(qū)域內(nèi)的速度分布?？梢姡?yàn)闅飧咨w斜水孔正對(duì)著兩氣門均流速最大，而 4缸的平均流速最小。8 氣缸蓋兩氣門之間區(qū)域內(nèi)的速度分 4.3 溫度場(chǎng)分布及換9和10分別是氣缸蓋進(jìn)氣道側(cè)和排氣道側(cè)的溫度分布情況，由圖中可以看出氣缸蓋水套中的溫度分

11、布比較均勻。4缸附近的溫度要略高于其他各缸，這主要是由于4缸附近另外，冷卻水從缸體上水孔進(jìn)入氣缸蓋后從底部流到上部的同時(shí)也在不斷的吸收熱量 5 氣缸蓋水套進(jìn)水孔的流量分該氣缸蓋水套的水孔共計(jì) 20 個(gè)，其布置如圖 11 所示 從圖 12 可見各水孔的流速比較均勻，但是由于各個(gè)水孔的直徑大小不一，所以各水的流量分布出現(xiàn)較大的差異性。由圖13可知，排氣道側(cè)的水孔流量要比進(jìn)氣道側(cè)水孔流量要大得多，其上水孔得流量占了總上水量的 52 氣缸蓋水套進(jìn)水孔的流量分該氣缸蓋水套的水孔共計(jì) 20 個(gè)，其布置如圖 11 所示 從圖 12 可見各水孔的流速比較均勻，但是由于各個(gè)水孔的直徑大小不一，所以各水的流量分布

12、出現(xiàn)較大的差異性。由圖13可知，排氣道側(cè)的水孔流量要比進(jìn)氣道側(cè)水孔流量要大得多，其上水孔得流量占了總上水量的 52，這對(duì)于排氣道周圍（包括鼻梁區(qū)）的的作用。而氣缸之間的水孔的流量之和占總上水量的 19左右，并且卻起到布比較均勻，這些對(duì)于氣缸蓋的均勻冷卻是有利的。但是仍有大量的冷卻水直接從 1 氣缸蓋，而冷卻水出口在氣缸蓋前端，因此進(jìn)入氣缸蓋的冷卻水直接從出口流出其它缸的冷卻能動(dòng)。所以氣缸蓋冷卻水出口的位置有必要改善以促進(jìn)冷卻水更好的3s/ 量0）2s（流01 2 3 4 5 6 7 8 910111213143 4 5 6 7 9 水孔2 3 4 5 6 7 8 9 5 水套設(shè)計(jì)改進(jìn)意水套的設(shè)計(jì)是否合理將直接影響到高溫零件的可靠性，影響的熱量分配與能量用。高強(qiáng)化多缸柴油機(jī)，還應(yīng)特別注意保持各缸冷卻均勻。不僅關(guān)系到柴油機(jī)的動(dòng)力性和進(jìn)入 1 缸附近上水孔冷卻水的流速及流量與其他各缸相比較大，且離氣缸蓋出口近，容易造成其它缸的冷卻能，所以可對(duì)一缸附近的上水孔的尺寸作適當(dāng)調(diào)整發(fā)整個(gè)冷卻水套的出口位置對(duì)整個(gè)缸體水套的壓力場(chǎng)分布具有較大的影響6分布。為了使各缸有更均勻的流量分布，可以為缸蓋水套均勻布置多個(gè)冷卻水出口6 結(jié)論利用AVL FIRE 通分布。為了使各缸有更均勻的流量分布，可以為缸蓋水套均勻布置多個(gè)冷卻水出口6 結(jié)論利用AVL FIRE 通過計(jì)算可以得出如下結(jié)論1 缸有大量的冷卻水直