某型柴油机冷却系统仿真分析

杨肖，王宏大

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

某型柴油机冷却系统仿真分析

杨肖，王宏大

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

利用一维、三维联合仿真方法对某型柴油机冷却系统进行仿真分析。首先对发动机水套进行CFD分析，通过CFD分析获得水套内部冷却液流动阻尼，然后以CFD结果为边界条件进行发动机冷却系统分析，对发动机冷却系统的布置方案进行评估。

冷却系统；CFD分析；阻尼

0 引言

文中利用三维分析软件Fire对发动机水套进行CFD分析，通过CFD分析可以得出不同流量下水套内部各部分的冷却液流动阻力；利用一维分析软件Flowmaster建立匹配该柴油机的冷却系统，以三维分析结果为输入边界，得出匹配该发动机的冷却系统冷却液流量分配结果；通过对计算结果的分析评估，选择发动机冷却系统设计布置方案。

1 发动机水套流阻计算

发动机冷却水套流动阻力分析主要目的就是通过设置冷却液的不同流量对发动机内部冷却液的流场进行模拟分析，然后将水套的进口与各冷却液出口进行压力比较，得出水套内部不同支路的冷却液流动阻力，为一维冷却系统分析提供输入边界。

1.1 水套模型及网格划分

所涉及水套设计有1个冷却液进口，4个冷却液出口，包含：油冷器冷却液出口、EGR冷却器出口、暖风冷却液出口和散热器冷却液出口。其中油冷器和EGR冷却器出口在缸体水套上，暖风和散热器出口在缸盖水套，该发动机水套模型如图1所示。

通过前处理软件Hypermesh对处理好的几何模型进行面网格的划分，然后将面网格以Stl格式导入到AVL Fire软件中，并对水套进行流体网格的划分。缸盖水套主体区域网格尺寸为1 mm，鼻梁区、缸盖水套上水口面及某些狭小区域网格尺寸为0.5 mm，处理好的流体网格总数为1 527 653，水套网格模型如图2所示。

1.2 CFD分析边界条件

此节计算分析主要目的：通过模拟分析得出水套内部冷却液的流动阻力。在此次分析中，水套的进口和出口分别设为流量边界。共进行5种工况分析，具体边界条件如表1所示。

那天晚上，温衡住在陶小西家的客房里，许久都睡不着，她跑去陶小西的房间，看着他沉睡的脸，心里生出一丝难过，也许她跟陶小西再也回不到小时候了。

表1 水套进出口流量边界 L·min-1

发动机水套所用的冷却液为50%水和50%乙二醇的混合液，计算中主要关注冷却液的黏性、导热率、比热和密度。文中分析中选取冷却液温度为95 ℃时的物性，具体如表2所示。

表2 冷却液物理特性

1.3 CFD分析结果

经过5次分析得出水套进出口的压力，分别用进口面压力减去各出口面压力得出不同流量下对应的压力损失。根据水套的设计共4组压力损失数据，分别为散热器支路、暖风支路、油冷器支路和EGR支路，如图3所示。

图4为水套流量180 L/min时，水套的压力分布示意图。

发动机水套CFD分析结果显示：暖风支路的冷却液流阻最大，EGR支路次之，油冷器支路和散热器支路冷却液流阻较小，这也符合散热器作为整车冷却器需要较大冷却液流量的需求。

2 冷却系统仿真分析

2.1 计算模型

冷却系统分析首先需要依据冷却系统设计方案确定冷却系统的走势及部件需求，图5为文中需要分析的冷却系统原理图，可以看出：机油冷却器和EGR冷却器并联从发动机缸体取冷却液，机油冷却器回水至水泵前，而EGR冷却器回水至暖风前；散热器和暖风并联从缸盖取冷却液，分别回水至水泵前。

依据图5所示冷却系统布置方案，结合冷却系统管路三维模型、冷却部件性能完成冷却系统模型建立，如图6所示。

从图6可以看出：冷却系统包含了发动机组件、暖风、散热器、油冷器和EGR支路，分析中不涉及换热分析，因此各冷却部件均以阻尼元件替代。

2.2 边界条件

文中计算中冷却液为50%水和50%乙二醇的混合液，计算过程仅分析发动机额定转速节温器全开状态，计算边界中主要包括4大部分：发动机水套阻尼；冷却部件阻尼(如图7所示)；发动机水泵性能(如图8所示)；管路阻尼。

管路设置，此次计算中主要连接管路为钢管和橡胶管，故管路Roughness值设为0.025；管路的长度和直径均来自于实际测量。

2.3 结果分析

发动机额定转速工况时，通过分析，系统的冷却液流量分布如图9所示。

(1)发动机额定转速时散热器的冷却液流量最大达到115 L/min，结合发动机功率来看当发动机冷却液进出散热器温差达到8～9 ℃即可满足冷却要求，该温差属于正常温差，说明散热器流量能够满足发动机需求；

(2)发动机前后暖风总流量为44.5 L/min，如进出暖风的冷却液温差达到1.9 ℃时，则暖风散热量可达到5 kW，该温差属于正常温差，说明暖风能够满足整车需求；

(3)油冷器和EGR冷却液流量分别为53.2和23.5 L/min，依据发动机试验经验，该流量均能满足需求。

图10显示了冷却系统压力计算结果，计算中，根据实际情况将水箱压力设为0.13 MPa，从结果看冷却系统中压力分布正常未出现压力剧烈波动点，计算得出水泵前的压力约为0.086 MPa，系统的压力损失约为0.191 MPa。从系统压力分布来看，系统压力较高,发生汽蚀的可能性较小。

从冷却系统冷却液流量和系统压力分布来看，该冷却系统设计方案合理，能够满足发动机的冷却需求。

3 结束语

主要利用三维、一维联合仿真方法对某型发动机冷却系统进行评估，文中首先根据某型发动机初步设计水套进行CFD分析，计算得到水套各出口流阻特性，然后以水套流阻特性、各部件流阻特性和水泵性能曲线作为边界进行整车冷却系统一维分析，计算得出发动机各支路的冷却液流量分配和系统压力的分布状况，从而对该发动机的冷却系统布置进行评估，为发动机冷却系统的布置方案提供理论支持。

【1】王宏大，李娟,祝慧,等.基于CFD技术的水套优化设计[J].汽车制造业，2012(5):77-78.

【2】姚仲鹏，王新国.车辆冷却传热[M].北京:北京理工大学出版社，2001.

Simulation Analysis for Diesel Engine Cooling System

YANG Xiao，WANG Hongda

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.,Hefei Anhui 230601,China)

The diesel engine cooling system was calculated by 1D and 3D simulation methods. First the pressure drop of the water jacket was acquired by CFD method. Then the flow damp of the cooling system was obtained based on CFD results.At last,taking the CFD results as boundary, the cooling system of the diesel was simulated to evaluate the layout project of the diesel cooling system.

Cooling system；CFD analysis；Flow damp

2015-06-16

杨肖，男，本科，从事发动机研发设计工作。E-mail：whd.dly.jszx@jac.com.cn。