某汽油机冷却水套CFD分析

刘芯娟，李波，蔡海涛，阮仁宇，肖海云

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

设计研究

某汽油机冷却水套CFD分析

刘芯娟，李波，蔡海涛，阮仁宇，肖海云

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

∶文章通过CFD软件对发动机冷却水套进行了三维数值模拟，得到了水套流场的对流换热系数以及总压分布。结果表明整个水套的总压降保持在一个较好的水平，热负荷较大的区域的对流换热系数均超过推荐值。

∶冷却水套；CFD技术；仿真

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.009

CLC NO.: U464.138Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)06-25-03

前言

冷却水套是发动机的重要组成部分，在冷却系统中发挥着重要作用。随着人们对发动机小型化、高功率要求的不断提高，发动机的热负荷明显增大。冷却水套结构的合理设计，能够加强对高温区域的冷却液流动，提高散热能力，降低这些区域的热负荷，有效提高发动机的可靠性和耐久性。

随着计算流体力学和计算机技术的发展，各种CFD软件的日趋成熟，目前CFD技术已经成为研究发动机冷却水套的主要方法。本文将借助于AVL公司的CFD软件FIRE对某型汽油机冷却水套进行数值分析，对冷却水套的换热能力进行评估。

1、CFD计算

1.1几何模型

图1　水套模型

冷却水套计算模型包括缸盖水套、缸体水套以及缸垫水孔（如图1所示）。由于由于厂家无法提供叶片模型，因此计算模型中不包括水泵为了获得更接近实际情况的流动，将水套进水口处拉伸400mm。

1.2计算网格

CFD分析的本质就是对控制方程在计算域上进行离散，从而转变为离散方程组，然后进行迭代求解。网格生成是其中的一个关键步骤，网格质量对于计算精度和计算效率有着极为重要的影响。本文使用AVL-FIRE进行分析，通过前处理器FAME生成以六面体为主的计算网格。

划分网格时要遵循以下原则：在物理平面上的网格划分应适应物理区域中参量的变化情况，在变化剧烈的地方网格要划得稠密些，而在变化平缓处则可以适当的稀疏一些。这样，可在同等计算精度的前提下，减少网格数，缩短计算时间。另外，从边界条件离散化的角度来看，网格线应尽量与物理区域的边界线正交，以利于边界值的计算，且能防止网格畸变，提高计算精度。

1.3边界条件

1）水套进水口边界采用流量边界条件，取发动机额定工况点的水泵流量值162L/min；

2）油冷器支路的边界也采用流量边界条件，流量为26.4L/min；

3）增压器支路出口流量为设8.9L/min；4）流向暖风的出口流量为41.2L/min；

5）出水口采用静压边界条件，取压力值为1.9bar；

6）冷却液选择50%：50%的水和乙二醇的混合物，温度为105℃。

1.4设置求解参数

对于冷却水套的CFD分析来说，主要是考查其在发动机额定工况条件下的散热能力，因此，计算模式选择稳态计算模式。

求解参数设为：迎风离散格式，一阶隐式格式离散时间项，压力与速度耦合算法选择SILMPLE。计算时考虑冷却液的粘度，将冷却液的流动设定为不可压缩的粘性湍流流动。湍流模型为k-zeta-f方程，使用混合壁处理描述壁面附近边界层流体速度、压力等的分布，且要求贴近壁面的网格的y+值在11～200之间。

1.5评价标准

一般来说，冷却水套的主要评价部位为缸盖鼻梁区和缸体火力面。因为对于缸盖来说，整个缸盖中热负荷最集中的地方在鼻梁区。对于四气门发动机而言，两个排气门之间的区域是热负荷最大的地方，推荐此处的换热系数在13000 W/m2K以上。

对于缸体水套来说，冷却条件的评价重点在缸套上部的火力面附近。这是因为缸内燃烧集中在活塞接近于上止点的位置，此处热负荷较大。一般推荐此处的换热系数在6000 W/m2K以上。

2、结果分析

2.1总压降

图2所示的是冷却水套总压分布情况，而表1所示的是总压降的计算结果。从计算结果来看，水套进水口与出水口之间的总压降为349mbar，达到一个良好的水平。油冷器进出口间的总压降为176mbar，也处于可以接受的范围。从总压降的水平来看，当前的水套设计是可以接受的。

表1　总压降计算结果

图2　冷却水套总压分布

2.2缸盖结果分析

图3是缸盖水套换热系数分布云图。从计算结果来看，四个缸的鼻梁区的对流换热系数均较高，全部高于18000W/m2K，完全满足高于13000W/m2K，说明缸盖水套换热能力较强，具有良好的冷却条件。

图3　缸盖水套换热系数分布

2.3缸体结果分析

图4　缸体水套换热系数分布

图4是缸体水套换热系数分布云图。从计算结果来看，火力面附近的最低换热系数出现在第四缸（如图4中圆圈所示位置），仅为4000W/m2K左右。

而评价缸体水套换热能力的是1/3冲程缸体处的平均换热系数，其结果如图5所示，平均换热系数值最低的第四缸也有7632W/m2K，高于6000 W/m2K的评价标准，满足冷却要求。

图5　1/3冲程缸体平均换热系数

3、结论

本文通过CFD软件对发动机冷却水套进行了仿真分析，得到以下结论：

1）整个冷却水套的总压降约为349mbar，这是一个较好的水准。

2）在缸盖排气门间的鼻梁区具有较高的换热系数，全部高于18000W/m2K，满足限值要求，能够达到良好的散热效果。

3）尽管第四缸缸体火力面附近的最低换热系数仅为4000W/m2K左右，但是1/3冲程缸体处的平均换热系数达到7632W/m2K，高于6000W/m2K的评价标准，也满足冷却要求。

[1] 陈家瑞.汽车构造（上册）[M].北京:人民交通出版社.2002,3.

[2] 夏兴兰,王胜利,陈大陆.计算流体力学在发动机冷却水套设计中的应用[J]现代车用动力,2006（04）:7-12.

The CFD Analysis on Cooling Jacket of a Gasoline Engine

Liu Xinjuan, Li Bo, Cai Haitao, Ruan Renyu, Xiao Haiyun
(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd, Anhui Hefei 230601)

The article had a 3D numerical simulation on cooling jacket of engine. The convection heat transfer coefficient and total pressure distribution were calculated. The results indicated that total pressure drop of the whole cooling jacket attained a good level. And the convection heat transfer coefficient of the regions whose thermal loads were very high was beyond the recommended value.

Cooling Jacket; CFD Technology; Simulation

∶U464.138

∶A

∶1671-7988 (2016)06-25-03

蔡海涛（1986—），女，工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司，从事技术管理。