某K29T发电机组用V型柴油机水套仿真分析

刘配勇，王军，陈刚



某K29T发电机组用V型柴油机水套仿真分析

刘配勇，王军，陈刚

（江苏康沃动力科技股份有限公司，江苏 昆山 215300）

K29T柴油发动机主要用于发电站的发电机组，属于重型大排量V型柴油机。由于对该平台的发动机进行了优化升级，发动机结构存在部分设计变更，为保证发动机的冷却性能，需对冷却水套结构合理性进行验证。利用CFD仿真技术对水套内部流场进行了计算，得出了水套的流速、换热系数以及压力分布情况。通过评估，发动机水套结构合理，满足冷却要求，但存在优化空间。通过局部结构优化，总压损降低30.8%，降低了能耗。

冷却水套；CFD；V型柴油机

前言

柴油机具有热效率高、扭矩大等优点，在各种动力机械设备中应用广泛，尤其在工程机械领域占有重要地位。随着柴油机技术的不断发展，对其冷却系统的研究也从未中断。冷却水套作为冷却系统的重要部分，一直是发动机设计的重点，其结构的合理性直接决定了发动机的耐久性、经济型、及排放水平。对冷却水套的研究手段主要有试验测试及模拟计算两种方法。由于冷却水套结构复杂，且位于机体缸盖的内部，很难详细观测水套的流动分布，故通过测试手段对水套进行研究有一定的限制和不便，同时存在成本高、周期长等缺点。随着数值模拟技术的快速发展，CFD技术（计算流体动力学）已经成为研究流动问题的主要手段。将其应用在冷却水套的研究上可以带来极大便利，并且经过多年行业工程验证，其仿真结果可靠性较好，已经成为内燃机设计不可缺少的辅助工具[1-3]。

1 计算模型的创建

1.1 水套的几何结构

该发动机共有12缸呈V型布置，由于左右结构相同，顾只需选取一侧水套进行分析，这里选取1-6缸，如图1所示。冷却液的流动路径为从水套入口进入分水管，分水管将冷却液分配给各缸体，冷却液从缸体水套经上水孔进入缸盖水套，缸盖水套的冷却液汇集到集水管处，最终由水套出口流出。冷却液是从机油冷却器流出后进入冷却水套的，水套入口即为机油冷却器出口。

图1 发动机单侧水套模型

图2 水套的局部连接特征

1.2 网格划分

利用三维造型软件获取水套几何结构后，导入流体仿真软件。检测并修复初始面网格，确保没有自由边、多重边、多重点等网格问题。并且对不同网格区域进行命名及边界类型定义。首先进行面网格重构，再生成体网格。体网格采用多面体网格，多面体网格具有精度高、计算速度快、贴体性好等优点。网格尺寸0.5mm-6mm，设置2层边界层，其厚度为1.5mm。在热负荷较高以及结构突变部位，设置较小的网格尺寸，在非关键区域设置较大的网格尺寸。水套网格模型如图3所示，总网格数约170万。

图3 水套网格模型

1.3 边界条件及物性参数

将水套入口设为质量流量边界，水套出口设为静压力边界，其它均为壁面。入口流量设为474.7L/min，出口静压设为2.15bar。此数值来自一维冷却系统计算的结果。并且对不同壁面区域进行了壁温定义，分水管壁温100℃，缸体壁温100℃，缸盖壁温120℃，集水管壁温95℃，水套入口水温设为88℃。冷却液为50%的水和50%的乙二醇混合液，其物性参数如表1所示。

表1 冷却液物理性质参数

2 模拟结果及分析

经过计算可得出冷却液分配到各缸的流量，如表2所示。由计算结果可知，从第一缸向第六缸，冷却液流量逐渐递减，第六缸流量最小。这是由于水套出口位于第一缸一侧导致的。由于第六缸的流量最少，相对较容易出现冷却风险，因此重点分析第六缸的冷却情况。若流量最小的第六缸满足冷却要求，就认为整个水套满足冷却要求。

表2 各缸流量分配对比

如图4所示，为缸体水套的近壁面流速分布情况，为更清楚的观测流速分布，将缸体的两侧一并列出。冷却液经分水管进入缸体后，向两侧及上方流动，经四个上水孔流入缸盖。通过流速分布图可知，缸体水套上侧流速较高，在上部内侧近壁面流速达到1m/s水平。根据工程经验，此流速可满足缸体的冷却要求。缸体流速分布总体是上部高，下部低。由于缸体的热负荷也是上部高下部低，因此这种分布是合理的。在冷却液入口对面一侧的下部存在低流速区，但此区域的热负荷也较低，因此无需对此处进行优化。

如图5所示，为缸体水套的近壁面换热系数分布情况，同样将缸体两侧一并列出。换热系数与流速成正相关，流速越大，换热系数也会越大。由分布图可知，除冷却液入口附近外，换热系数同样是上部较高，在上部内侧附近换热系数达到6000w/m^2-k以上。根据工程经验，此换热系数水平可以满足对缸体的冷却要求。换热系数总体分布规律与流速类似，上部大于下部，符合热负荷的分布情况。

图5 缸体水套的近壁面换热系数分布

缸体上部区域热负荷较大，为进一步详细观察此部分区域的流速分布情况，以缸体水套上端为基准向下三个不同距离做截面，如图6所示。在Y=0.03m截面处，流速总体较高，处于1m/s水平，可满足此处换热要求。由于Y=0.012m截面相对变宽，流速有所降低，但仍处于合理范围内。Y=0.05m截面附近热负荷较低，流速也相对较低，但仍处于0.5m/s的水平可保证此处换热。从三个截面处的流速分布可知，排气侧流速大于进气侧，符合热负荷的分布情况。

图6 缸体上部不同截面处的流速分布

2.2 缸盖水套

如图7所示，为缸盖水套的近壁面流速分布情况。由缸盖底面的流速分布可知，鼻梁区附近区域的流速处于1m/s的水平，可满足换热要求。且排气门附近流速大于进气门，符合热负荷分布特征。由上水孔的分布位置可知，鼻梁区端部存在一上水孔，由缸体流入的冷却液可直接冲入鼻梁区，进而保证此处换热。根据缸盖侧面流速分布可知，排气侧略大于进气侧，分布合理。图8为缸盖水套的近壁面换热系数分布图，鼻梁区处换热系数处于10000w/m^2-k水平，满足换热要求。根据缸盖水套底面及侧面的换热系数分布可知，排气侧的换热系数大于进气侧，分布合理。

图7 缸盖水套的近壁面流速分布

图8 缸盖水套的近壁面换热系数分布

2.3 水套压力分布

图9给出了整体水套的总压分布情况，由于冷却液流经结构复杂的空间时，需要克服沿程损失及节流损失，总压值从水套出口到入口逐渐升高[4]。图10列出了不同部位的总压损分布，由图可知，水套入口与出口之间的压力差值0.78bar即为水套整体总压损，根据工程经验，此值处于合理范围。压损最大的区段为上水孔到缸盖与集水管连接孔之间，即缸盖部位，其次为缸体。其它部位也存在一定比例的压损，如分水管和集水管，但此部位的压损对发动机冷却没有帮助，反而会消耗发动机的功率，可以适当优化。

图9 整体水套总压分布

图10 不同位置之间的压损对比

由图11可知，在集水管与缸盖连接位置处，以及分水管与缸体连接位置处存在明显的局部压力损失，这是由于连接处流通面积太小节流所致。可以对此位置进行优化，增大流动面积，进而改善发动机冷却能力以及功率损失。

图11 局部压损分布示意图

3 结构优化

为进一步优化水套结构，可对水套的局部结构进行优化，如图12所示。将缸盖与集水管的连接孔向发动机后端移动5mm，增大此处的流通面积。将分水管与缸体连接孔直径由原来的22mm增大为24mm，增大流通面积。

图12 结构优化示意图

由于所优化的结构位于缸盖及缸体水套的外围，所以不会改变原有的水套流速分布，同时由于水套总流量不变，顾不会影响水套冷却水平。经过计算，结构改进后，水套总压损为0.54bar，相比于优化前的0.78降低了30.8%，因此，可明显降低水泵能耗，改善发动机经济性。

4 结论

利用流体动力学仿真技术可以详细观测水套的流速、换热系数以及压力的分布情况，可为水套结构合理性的评估及优化提供有力的支持。

缸体水套及缸盖水套关键热负荷区域的近壁面流速达到1m/s的水平，对流换热系数达到6000w/m^2-k-10000w/m^2-k以上水平，可以满足换热要求。

在给定的冷却液流量下，水套整体压损处于合理范围，但经过局部结构优化，总压损降低30.8%，改善了发动机的功率损失。

[1] Franz J Laimbock, Gerhard Meister, Simon Grilc. CFD Applica-tion in Compact Engine Development[C].SAE Paper 982016.

[2] Jian Ye,Jim Covey,Daniel D.Agnew.Coolant Flow Optimization in aＲacing Cylinder Block and Head Using CFD Analysis and Tes-ting [C].SAE Paper 2004-01-3542.

[3] 高莹,曹志浩,葛迪,等. KM48天然气发动机水套的仿真与改进[J]. 汽车工程,2014(36):833-837.

[4] 于玲红.工程流体力学[M].北京:机械工业出版社,2015.1.

Simulation and analysis of water jacket in a v-type diesel engine named K29T that used for generator unit

Liu Peiyong, Wang Jun, Chen Gang

（Jiangsu Kangwo Power Technology Co., Ltd., Jiangsu KunShan 215300）

The K29T diesel engine is mainly used in generating sets of power stations, and is a heavy duty diesel engine with V shape and heavy discharge. Due to the optimization and upgrading of the engine of the platform, the engine structure has some design changes. In order to ensure the cooling performance of the engine, it is necessary to verify the rationality of the cooling water jacket structure. CFD simulation technology is used to calculate the internal flow field of water jacket，the flow rate, heat transfer coefficient and pressure distribution of water jacket were obtained. Through the evaluation, the engine water jacket structure is reasonable to meet the cooling requirements, but there is still space for optimization. By optimizing the local structure, the total pressure loss decreased by 30.8%, and the energy consumption was reduced.

cooling water jacket; CFD; V-type diesel engine

B

1671-7988(2018)18-108-04

U467

B

1671-7988(2018)18-108-04

CLC NO.: U467

刘配勇，就职于江苏康沃动力科技股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.037