KM48天然气发动机水套的仿真与改进

高 莹，曹志浩，葛 迪，李书华，张 震，姜在先

(1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022;2.中国石油规划总院，北京 100083;3.中国重型汽车集团有限公司，济南 250002)

前言

我国能源结构具有富煤、贫油和多气(天然气)的特点，天然气发动机目前在我国有广阔的市场前景，因此，基于重型柴油机改装的天然气发动机成为重点研究和开发的热点。当发动机工作过程从非均质混合气扩散燃烧变化到均质混合气火焰传播燃烧时，燃烧温度大幅上升［1］，加剧了发动机的热负荷，可能导致冷却水套不满足冷却需求。传统的实验测试要消耗大量的人力、物力和财力，计算流体动力学(CFD)已经成为流体力学研究的主要手段，利用CFD对冷却水套进行仿真分析，可以找出影响水套冷却性能的主要因素，为其结构改进提供依据。

国外较早利用CFD软件对水套数值模拟进行了详细和深入的研究［2－11］，取得了令人满意的成果。国内高校与大型企业在内燃机冷却水套的CFD仿真分析方面也做了不少卓有成效的研究［12－13］，但大多针对柴油机和汽油机，而对于由柴油机改装为天然气发动机的冷却水套研究较少，因此，本文中利用商用流体力学软件FLUENT对KM48天然气发动机冷却水套进行了CFD分析，根据流场内冷却液的流速和压力的分布情况，对热负荷较高的缸盖鼻梁区(见图1)和排气道周围的冷却液进行了评价，提出了水套结构改进的方案，使其满足冷却的要求。

1 发动机冷却水套的CFD分析

1.1 几何模型的描述和简化

利用三维CAD软件PRO/E建立KM48天然气发动机冷却水套的几何模型，如图2所示。冷却液的流动路线是:入口→机油冷却器水腔→缸体分水管→缸体水套→缸盖水套→缸盖集水管→出口。各缸缸体水套之间由上至下贯通相连(图3)，各缸缸盖水套之间独立不相通(图4)，冷却液经各缸缸体的上水孔流入对应的缸盖水套。

几何模型的简化程度与仿真分析所需要的时间和结果精度密切相关，由于冷却水套整体的结构十分复杂，要完全按照其真实实体建立模型非常困难，因此，在保证对仿真计算结果不产生很大影响的前提下，对实体结构进行了一些简化处理，对非高温区尽量简化并且忽略其结构的圆角、倒角和螺栓及其周围的小曲面等。

1.2 网格的划分

利用ANSA软件对模型进行网格划分，对于高温鼻梁区，节点之间的距离为0.5mm，网格数约为120万。对于非高温区域，节点之间的距离为10～20mm，在保证网格质量的前提下，尽量减少网格的数量，网格数约为20万。对于高温区域和非高温区域之间的过渡区，采用了节点数渐变的方法，节点间距离的增长率为1.05～1.2，网格数约为40万。最终整个冷却水套的网格总数约为180万。网格分为结构化、非结构化和混合型网格3大类。由于发动机的水套结构十分复杂，因此采用了适应性较强的四面体网格。

1.3 算法与边界条件

冷却液为45%的水和55%的乙二醇混合液，其密度为1 001kg/m3，动力黏度为0.000 7kg/(m·s)。采用稳态计算模式，在仿真过程中认为冷却液在水套内的流动状态是不可压缩的黏性湍流流动。湍流模型选用κ-ε标准湍流模型，计算工况是发动机最大功率点。在壁面附近采用标准壁面函数法来描述壁面附近边界层流体速度和压力等的分布，并且要求贴近壁面的网格Y+(Y+是第一层网格质心到壁面的无量纲距离，与速度、黏度和剪应力等都有关系)计算值在11～200之间。

边界条件:缸体水流入口，体积流量，384L/min;缸盖水流出口，出流;水套壁面，壁面。

2 结果分析

2.1 缸盖水套

图5给出了水套沿缸体轴线不同高度处的剖切位置示意图。图6为缸盖水套结构相应位置的速度分布对比图。

从图6(a)和图6(c)可以看出，紧邻缸盖底平面且覆盖燃烧室空间的水套下平面上冷却液平均流速为1.8～2.5m/s，缸盖上方的冷却液流速为0.5～2.5m/s，都能满足冷却的要求。但是图6(b)显示排气侧三角鼻梁区的冷却液大部分直接流入缸盖顶部水套，导致该处的冷却液流速为0.5～2m/s，不能满足2～2.5m/s的冷却要求，为此提出了两种改进方案。

2.2 缸体水套

图7为缸体各缸水套之间的剖切位置示意图，图8给出了缸体水套结构相应位置的速度分布，通过分析可以看出，缸盖水套结构的变化对活塞位于上止点时第一道活塞环上方到缸体顶面的高温区域的冷却液的流速为1～1.6m/s，满足冷却要求。

2.3 整体水套压力损失

图9给出了水套的总压分布，其进出口的总压损失为43.25kPa，水套的压力损失较低，都能满足要求。

3 冷却水套的改进结构与仿真分析

3.1 改进方案

图10(a)为原缸盖水套的模型。图10(b)为改进方案一:在缸盖排气侧加一个横截面面积为144mm2的上通道。图10(c)为改进方案二:在缸盖排气侧加一个横截面面积为199mm2的上通道。其中方案二上通道的尺寸是在该缸盖结构下所能改进的最大尺寸，再增大尺寸就需要改变现有缸盖的结构。

3.2 改进后冷却水套的仿真分析

图11为改进前后缸盖水套内的流线分布及走向。由图可以看出，在缸盖的排气侧加上一个上通道后，该处的冷却液直接短路进入缸盖顶部水套，使周围的冷却液在此汇聚，从而强化了排气门侧三角鼻梁区的冷却。

图12为改进前后缸盖水套三角鼻梁区的速度分布图。由图可以看出，改进后缸盖水套三角鼻梁区冷却液的流速要明显高于改进前，但方案一的流速为1～2.5m/s，而且主要集中在1～2m/s，不能满足冷却要求，而方案二的流速为2～2.5m/s，能够满足冷却要求。

4 结论

(1)改进前缸体水套冷却液的流速1～1.6m/s，压力损失为43.25kPa，满足要求，但缸盖水套三角鼻梁区的冷却液流速为0.5～2m/s，不能满足2～2.5m/s的冷却要求。

(2)改进方案一的缸盖水套三角鼻梁区的冷却液流速为1～2.5m/s，而且主要集中在1～2m/s，虽然改进后的流速提高了，但仍然不满足冷却的要求。

(3)改进方案二的缸盖水套三角鼻梁区的冷却液流速为2～2.5m/s，满足冷却的要求。

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