基于一维⁃三维联合仿真的某机油冷却器水路匹配计算

李雷，唐帅，曾超，刘伦伦

（内燃机可靠性国家重点实验室／潍柴动力股份有限公司，潍坊261061）

0 引言

发动机是汽车的心脏。发动机内有许多相互摩擦运动的零部件，这些零部件的运动速度快、工作环境差，工作温度可达400～600℃。发动机的润滑系统就是在发动机工作时连续不断地把数量足够、温度适当的洁净润滑油即机油输送到全部运动件的摩擦表面，从而减小摩擦阻力、减轻零件磨损，以达到提高发动机工作可靠性和耐久性的目的。机油温度是影响发动机润滑系统工作可靠性的重要因素之一。机油温度过高，机油黏度会显著降低，机油稳定性降低，氧化变质加剧，从而造成发动机各零件摩擦表面的油膜不易形成和保持，加速零件磨损，严重时会造成烧瓦、拉缸等事故。因此，为了控制发动机机油温度，保证各摩擦表面得到有效而可靠的润滑，通常需要为发动机配置机油冷却器对机油进行冷却。

发动机常用的机油冷却器多为利用冷却水来冷却机油温度的热交换器。通过将带有油路的机油冷却器置于冷却水路中，利用冷却水在流动过程中的强制对流换热带走高温机油的热量，达到降低机油温度的目的。由于机油冷却器中的循环水流量是影响机油冷却器冷却性能的一个重要因素，所以水流量匹配计算是机油冷却器设计过程中的重要一环。

Flowmaster是一款专业的一维工程流体管路系统的分析软件。其通过将各管路、换热元件、发动机水套等部件的流阻特性和水泵的输出特性搭建成网络模型，经过多次迭代计算可以找到系统的匹配平衡点，可计算出流经各元件的介质流量及各节点的压力分布，因而被广泛地应用在各种冷却润滑系统、液压系统、水输送系统及热管理系统的设计、优化和性能仿真中［1］。

外置机油冷却器的流阻特性通常通过试验台架测试获得；但是测试样件制造周期较长，严重制约着项目开发进度。随着计算机和计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD） 的快速发展，三维流动模拟已经成为冷却系统研究的重要工具。通过三维CFD数值模拟可以得到以往需要大量试验才能得到的流动信息，在设计初期就可以对系统进行性能校验及优化，还可以容易地从产品中发现设计问题，降低对试验研究的依赖性，从而缩短研发周期， 降低成本［2］。

本文以某发动机重新匹配的外置机油冷却器为研究对象，通过三维CFD数值模拟获得其流阻特性，并以此作为输入参数进行一维稳态不可压缩计算，获得各元件在额定工况下的匹配流量。要求在满足机油冷却器目标流量的情况下，对其他冷却系统元件不造成较大影响。后期对该机油冷却器样件进行台架试验，获得其流阻特性的试验数据，验证仿真结果的准确性。

1 机油冷却器CFD分析

1.1 有限元模型建立

FLUENT软件是由美国FLUENT公司于1983年推出的CFD软件。由于采用了多重求解方法和多重网格加速收敛技术，FLUENT软件能达到最佳的收敛速度和求解精度。本文进行CFD分析所采用的软件即为FLUENT软件。TGrid是独立于FLUENT软件的前处理器，用于从现有的边界网格生成体网格［3］。本文利用Hypermesh前处理软件导入机油冷却器的三维模型。本文中的机油冷却器由换热器和进、出水管组成。提取内部冷却液流道表面，使用S3三角形网格进行网格划分，生成机油冷却器内部流道的边界网格，如图1所示。

将边界网格文件导入到TGrid前处理器中进行体网格设置。为了保证计算结果准确性和收敛性，根据机油冷却器结构，在TGrid设置中，设置了第1层厚度为0．8 mm，层厚度增长率为1．2%，共3层的边界层。由于机油冷却器中的换热器翅片间距较小，需要通过设置两壁面边界层的中间距离来保证边界层网格在翅片间收缩，避免边界层自相交。生成的实体网格局部视图如图2所示。

1.2 边界条件定义

根据机油冷却器厂家提供的参数，在额定工况下，该机油冷却器所需要的冷却液流量为150 L／min。工程中，一般将雷诺数作为判别流体流动状态的准则数。大量试验表明，当管流的雷诺数大于下临界雷诺数时，即Re＞2 320，即可判定流动为湍流。对于圆截面管道，雷诺数为：

式中：u为流体平均速度，m／s；d为圆管内直径，m；ν为流体的运动黏度，m2／s。

通过模拟不同流量下机油冷却器的进出口压差，来获得机油冷却器的流阻特性。本文最低流量设置为50 L／min。通过计算圆管处的雷诺数，确定了所仿真的工况均为湍流。标准的k⁃ε两方程模型是目前使用最广泛的湍流模型，适用范围广，经济性高，精度合理，适用本文所研究的工况。

边界条件设置方面，入口采用速度入口，出口采用压力出口的边界条件［4］。入口速度为均匀流，方向垂直于入口截面。参考机油冷却器目标流量，分别计算5个流量下的入口流速。入口湍流参数为湍流强度I和水力直径d，湍流强度计算如下：

水力直径即为进水口直径，各流量下进口参数设置如表1所示。

表1 不同流量下机油冷却器进口参数

选用双精度三维模型解算器读取网格类型文件．cas，数值求解采用目前工程上应用最广泛的SIMPLE算法；并通过监视x、y、z三个方向的速度、连续性方程残差、湍动能k、湍动耗散能ε的残差来判断数值计算是否收敛。当上述参数都达到收敛准则时，计算完成。计算所选用的流体为50%的冷却液 （水和乙二醇的比例为1∶1），冷却液参数按照在温度90℃时的物理性能进行设定。

1.3 三维计算结果

为研究机油冷却器内部冷却液流动状态，制作机油冷却器内部冷却液的流速流线图，如图3所示。

由流线图可以看出，在机油冷却器中的换热器进出水位置，由于流通截面积发生较大变化，故产生较大的流速梯度。

分别提取如图2所示4个位置截面的平均压力，计算出各流量下机油冷却器的系统压降Δp1（1～4之间，机油冷却器中的换热器加管路的总压降）和机油冷却器中的换热器的进出口压降Δp2（2～3之间）。计算结果如表2所示。

表2 不同流量下机油冷却器系统和进出口压差

依据表2绘制机油冷却器的流阻特性，即进出口压降随流量变化关系，如图4所示。

2 冷却系统一维计算

2.1 计算模型搭建

根据冷却系统的结构布置，新增外置机油冷却器，通过2种机油冷却器管路建模方式搭建计算模型。第1种方式，是将机油冷却器及进出水管路作为1个整体，用1个换热元件代替，流阻特性按照图3中曲线Δp1进行设定，如图5所示。第2种方式，是将机油冷却器中的换热器部分单独作为1个换热元件，流阻特性按照图3中曲线Δp2进行设定，进出管路按照Flowmaster内置的管路元件进行设置，如图6所示。

2.2 一维计算边界及参数设定

本文主要分析增加外置机油冷却器之后，在额定工况下，节温器全开时，流经机油冷却器的冷却液流量是否满足要求，所以选择不可压缩流体稳态仿真进行模拟。

水泵参数根据水泵供应商提供的性能参数，通过在软件中输入其扬程⁃流量曲线进行设定。

机体和缸盖水套的流阻特性通过下式计算的损失系数进行设置：

式中：Δp为压力损失，Pa；K为阻力因数；ρ为流体的密度， kg／m3；qv为体积流量， m3／s；A为截面积，m2。

节温器采用的石蜡式节温器。当冷却液达到一定温度时，石蜡管内的石蜡受热融化膨胀，将阀门顶开。由于本文是考虑节温器全开时的稳态流量分配，只需根据供方提供全开时的流阻特性曲线进行设定即可。

根据2．1节所表述的方式分别设置机油冷却器的流阻特性［5］。

2.3 计算结果分析

通过计算，第1种方式，机油冷却器及进出水管路作为一个整体，用1个换热元件代替，流阻特性由CFD仿真分析获得，一维计算得到机油冷却器的流量为141．3 L／min，如图7所示。

第2种方式，将机油冷却器单独作为一个换热元件，其流阻特性由CFD仿真获得，进出管路按照Flowmaster内置的管路元件进行设置，一维计算得到机油冷却器的流量为142．1 L／min，如图8所示。

2种方式管路布置的流量分布如表3所示。由表3可见，2种建模方式所得到的机油冷却器的流量基本相同，证明了通过CFD仿真获得的管路阻力和用一维计算软件Flowmaster中内置管路模型阻力基本相同。同时，计算得到的额定工况下机油冷却器的流量略小于目标值150 L／min，评估认为基本满足机油冷却器的使用要求，可以进行下一步的样件制作。

表3 两种管路布置的流量分布 单位：L／min

3 结果验证

对机油冷却器样件进行性能测试。测试台架和机油冷却器进出口压力测点如图9所示。根据测试结果获取机油冷却器在不同流量下的进出口压力。

由于测试台架限制，无法测得低流量下的阻力数据。根据试验工况，重新补充计算了3组大流量的仿真结果。将流阻特性的实测结果与仿真结果进行对比，结果如图10所示。

由图10可以看出，实测数据和仿真数据趋势相符，实测值相对仿真值略偏小。随着流量的增大，偏差增大。考虑到仿真模型和试验台架工况略有差异，这样的误差范围可以接受，验证了CFD仿真结果的准确性。

4 结论

通过对外置机油冷却器进行三维CFD仿真计算，获取机油冷却器的阻力特性，以此作为一维计算的参数输入并进行整机水流量匹配计算。对机油冷却器样件进行性能测试，对比试验和仿真结果，可以得出以下结论：

1）通过Fluent进行CFD阻力仿真，可以获取部件的流阻特性，并作为一维流量匹配计算的参数输入。

2）本文所计算的外置机油冷却器，在整机匹配中，可以满足其水流量需求。

3）通过一维与三维联合仿真计算，可以提前获取零部件的阻力特性，并进行系统一维匹配计算，评估系统可靠性。通过仿真结果提出合理化建议，可大大缩短了开发周期，节约开发成本。