柴油机冷却水套上水孔结构对冷却系统流场的影响分析*

（海军工程大学动力工程学院湖北武汉430033）

柴油机冷却水套上水孔结构对冷却系统流场的影响分析*

王东玉 张萍 刘振明 王银

（海军工程大学动力工程学院湖北武汉430033）

柴油机冷却水套结构对水流场分布、冷却效果及零部件工作的可靠性有直接影响。基于CFD仿真平台，分析了冷却水套上水孔（机体冷却水套上到缸盖底面位置）不同角度对整机及单缸水流场的影响。结果表明：计算得到的气液相变区域与实机发生区域较为吻合；上水孔角度选为0°时，整机水流场分布较15°角时更为合理，流动死区得到显著改善，单缸水套计算得到的含气率随上水孔角度变化不明显。

柴油机冷却水套上水孔CFD含气率

引言

柴油机正向着高强度化、轻型化的方向发展，工作负荷越来越大、持续运行时间越来越长，因此对柴油机的冷却系统提出了精确冷却的要求[1]，即满足冷却效果的同时需保证高的热功转换效率，避免零部件的热裂失效。众所周知，上水孔在水套内起着对冷却液流动的导向作用，其流道形状和总流通面积决定着冷却液局部流速和流量，直接影响气缸盖的冷却效果。此外，在上水孔位置由于冷却液流通截面积变小，导致该处易造成压力损失，同时流道也会发生改变，造成该处流动受阻，冷却液局部温度升高，发生气液相变的几率增大，在活塞高频冲击下，水套壁面也会产生穴蚀现象[2-6]。因此本文基于CFD仿真平台，以上水孔设计角度为研究对象，开展整机及单缸冷却系统流场的数值模拟，比较分析设计角度对整机及单缸冷却系统流场的影响，为加工中该角度的选取提供技术参考[7]。

1研究对象及相关说明

1.1 冷却系统整机水套结构

图1为某型柴油机机体上水孔示意图，图中给出上水孔流道中心线与水平线的夹角范围为0°～15°。本文拟针对15°夹角和0°夹角两种情况，分析冷却水套上水孔角度对冷却系统流场的影响。

图1 柴油机机体上水孔示意图

图2为柴油机整机冷却水套三维模型。主要由水套入口、A缸排水套、B缸排水套、V型夹角内W型水腔组成。图3为整机剖面图，中间为W型冷却水腔。工作中，冷却液由淡水泵压入水套入口，经W型水腔分别进入增压器和各气缸的下部，各缸冷却水套中部是相互连通的，其各缸底部由连通水道相连通，冷却液从冷却水腔底层向上流动，进入水腔上层后由顶部位置的上水口进入缸盖水腔，除分布在两端的四个气缸布有三个上水口外，其余各缸布有四个上水口，最后由各气缸盖出水口汇入支管，流入A、B缸的出水总管，至此冷却液流出柴油机的本体。图4为水套顶部位置处上水孔示意图。

图2 柴油机整机水套三维模型

图3 整机水套横剖面W型水腔示意图

图4 上水孔示意图

1.2 网格划分、边界条件的设定及模拟工况说明

对整机水套模型进行网格划分，网格划分数量为1 392万，生成的网格如图5所示。

图5 柴油机整机水套模型三维网格图

模拟工况选择为额定工况：转速1 050 r/min，输出功率5 184 kW。壁面设置选用标准壁面函数，在湍流模型的选择上采用双方程模型。具体参数设置如表1所示。

表1 计算参数设置

在上述模拟工况下，分别选取上水孔夹角为15°和0°两种情况，如图6所示，分析其对冷却系统流场的影响。

图6 上水孔不同角度计算模型

2上水孔不同角度的计算结果与对比

2.1 整机水流场分布的计算结果与对比

图7为两种角度下整机水套流场压力分布图。从图中可以看出，15°夹角时W型水腔的平均压力为337 KPa，0°夹角时W型水腔的平均压力约为383 KPa。通过对图中压力数值的分析，两种夹角情况下，其上水孔出口位置压力均为335 KPa，对比0°夹角与15°夹角下的W型水腔平均压力与上水孔出口压力差值，上水孔引起的压力损失有一定的增加，冷却液流动阻力升高，从上水口进入缸盖的总冷却液流量减少。

图7 两种角度下整机水套流场压力分布图

图8为两种夹角下导流孔流动死区水套流线图。

图8 两种夹角下导流孔流动死区水套流线图

从图8中可以看出，0°夹角下水套底部连通水道流动死区流线扭曲、变形、断裂情况较15°夹角下有所加剧，但对比A8缸的流动情况，在W型水腔进口与底部连通水道之间区域流场流线有所改善，图9为两种夹角下A8缸水套流场流线对比图。

图9 两种夹角下A8缸水套流场流线对比图

对单缸水套中W型水腔入口和连通水腔入口之间区域进行了分析，发现此区域中流动死区现象非常明显，说明流场流动性较差。在两种夹角下对整机水套进行模拟，图10为两种夹角下气缸水套流线对比图。观察A5、B5和B6缸各气缸的流动死区，对相同位置进行仔细对比，可以观察到0°夹角的流场分布较15°夹角的流场分布有很好的改善。图11为两种夹角下B2、B1缸水套流线对比图。对B2、B1缸不同夹角下流场流线进行观察，发现0°夹角下B2、B1缸气缸外侧流场的流动死区情况较15°夹角下有所改善，流场流线的断裂和扭曲都有所减轻，说明0°夹角下对B2、B1缸的流场分布起到改善作用。

图10 两种夹角下A5、B5和B6缸水套流线对比图

图11 两种夹角下B2、B1缸水套流线对比图

2.2 单缸水流场的计算结果与对比

2.2.1 单缸水套模拟的气液相变区域与实机发生区域对比

本文选取气缸套外表面损伤较为明显的A2缸作为研究对象，图12为A2缸外表面损伤区域示意图。

图12 A2缸外表面损伤区域示意图

图13为A2缸单缸水套三维模型，划分网格数量为423万，图14为单缸水套网格图。如图所示，模型中有3个进口，6个出口。3个进口：底部连通水道进口inlet4，W型水腔进口inlet5，连通水腔进口inlet7；6个出口：四个上水孔出口outlet1、outlet2与outlet8，底部连通水道进口outlet3，连通水腔出口outlet6。

图13 A2缸单缸水套三维模型

图14 单缸水套网格图

从整机水套流场计算结果中提取单缸水套模拟计算的边界条件，如表2所示。

表2 单缸水套边界条件

图15为压力曲线及含气率统计区域图。与图12进行对比，在缸套外表面凸肩下方有显著气液相变部位，与实际情况中实机发生区域相吻合，证实其仿真方法有效。根据这一结果，将气相体积组分统计区域设置为距离缸套外表面凸肩下方70 mm处为中心的100 mm×100 mm水套内表面区域。

图15 压力曲线及含气率统计区域图

2.2.2 两种工况下单缸水套水流场的计算结果与对比

模拟两种夹角下单缸水套流场分布，所得压力和气相体积组分随时间变化曲线如图16、图17所示。

在曲轴转角0°至180°范围内，压力曲线呈振荡态势，0°夹角下平均水平略低于15°夹角下水平；在曲轴转角180°之后，压力曲线非常接近，规律振荡周期内大部分时间几乎重合，0°夹角下仅仅略高于15°夹角下情况；在540°曲轴转角和900°曲轴转角位置，出现局部峰值0°夹角下高于15°夹角下情况，分别约为9 kPa、6 kPa。压力曲线反映的单缸变化规律和上水孔角度调整前后整机水套压力云图所反映的规律一致，总体压力变化不大。

图16 两种夹角下压力变化曲线

图17 两种夹角下含气率变化曲线

0°夹角下的含气率曲线几乎与15°夹角下相重合，说明上水孔机加工角度变化对气液相变区域含气率变化影响不大。图18为两种夹角下含气率对比云图。

图18 两种夹角下含气率对比云图

3结论

1）仿真计算得到的气液相变区域与实机发生区域较为吻合，流动情况较差的流动死区可能引起穴蚀发生。

2）上水孔角度选为0°时，整机水流场流动死区得到改善，分布较15°角时更为合理，单缸水套计算得到的含气率随上水孔角度变化不明显。

1徐立华．柴油机气缸套穴蚀产生的原因、影响因素及防止措施[J]．实验室研究与探索，2011，30（5）：199-201

2姚涛，张亮亮．气缸套穴蚀机理分析及其抗穴蚀性能研究[J]．内燃机与配件，2014（6）：38-40

3夏冬升，张会臣，张信伟．基于CFD的柴油机气缸套冷却水空化特性数值分析[J]．内燃机学报，2010，28（4）：368-373

4王兆文，黄荣华，成晓北，等．车用柴油机气缸盖热负荷的改善[J]．华中科技大学学报（自然科学版），2008，36（8）：99-102

5徐刚，姜树李，董非，等．基于CFD分析的单缸风冷柴油机冷却系统设计与研究[J]．小型内燃机与摩托车，2011，40（6）：62-65

6屈盛官，夏伟，王颖，等．高强化柴油机气缸套周围冷却水流动的数值模拟和试验研究[J]．内燃机工程，2004，25（4）：32-35

7郑力铭．ANASYS Fluent 15.0流体计算从入门到精通[M]．北京：电子工业出版社，2015

Analysis of Impact of the Upper Nozzle Structure of Diesel Engine Cooling Water Jacket on Flow Field

Wang Dongyu,Zhang Ping,Liu Zhenming,Wang Yin
College of Power Engineering,Naval University of Engineering(Wuhan,Hubei,430033,China)

Diesel engine cooling water jacket structure has direct influences on flow field distribution, cooling effect and the reliability of components and parts.This article analyses the impact of different upper nozzle angles on the whole flow field of diesel engine and single cylinder flow field based on CFD simulation platform.The results illustrate that:the place of phase transition area through CFD is similar as physical machine.When the angle of upper nozzle chooses 0°,the distribution of whole flow field of diesel engine becomes better than 15°angle of upper nozzle,and the volume fraction of single cylinder has little changes.

Diesel,Cooling water jacket,Upper nozzle,CFD,Volume fraction

TK414.2

A

2095-8234（2016）06-0058-06

2016-09-30）

湖北省自然科学基金面上项目（2016CFB623）：发动机冷却系统沸腾强化传热研究。

王东玉（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向为舰船动力及热力系统的监测、控制与故障诊断。

张萍（1974-），女，副教授，博士，主要研究方向为柴油机冷却系统优化设计及智能控制。