某强化型柴油发动机冷却水套CFD分析及优化设计

熊思琴

摘要： 利用AVL-FIRE对483Z型柴油机水套冷却情况进行流体力学仿真分析，发现水套流场分析发现冷却水流量分配不均匀缸体存在流动死区，缸盖温度梯度大，部分水套腔体存在过冷沸腾。现设计一种混合式冷水水套，仿真结果表明：改进后缸体水套内的流动死区基本消除，半切向进水使得其中缸垫分水孔内液体流速增加，新增的分水孔及其部分尺寸的变化增加了液体绕行缸體流动能力，缸盖水套内过冷沸腾程度增加，水套的整体冷却能力显著增强。

Abstract： The water jacket cooling of 483Z diesel engine was simulated by USING AVL-Fire. The results of the water jacket flow field analysis showed that there was a flow dead zone in the cylinder with uneven cooling water flow distribution， a large temperature gradient in the cylinder head， and a part of the water jacket chamber had a supercooled boiling. A hybrid cold water jacket is designed. The simulation results show that： Improved flow dead zone within the cylinder block water jacket basically eliminated， half a tangential inlet water makes the liquid in the cylinder gasket points hole velocity increases， the addition of the dimension of hole and its parts increased the ability of fluid flow around cylinder， cylinder head water jacket in subcooled boiling degree increasing， the whole will markedly enhance its capability of the cooling water jacket.

关键词： 冷却水套设计;分水孔;过冷沸腾

Key words： cooling water jacket design;points hole;subcooled boiling

中图分类号：U262.11                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）21-0014-02

0  引言

近年来随着柴油机强化程度的增加，其缸盖火力面除了直接与高温燃气接触外，还随着燃烧室内温度的瞬态变化承受着交变热负荷[1]。研究表明[2]，水冷式发动机缸盖水套存在多种传热方式，缸盖鼻梁区与其他位置间温度梯度较大形成较大的热流量，该区域更易于会出现过冷沸腾换热，传热以沸腾传热为主，而在壁面温度温差较小，热流量减弱，传热方式以对流为主。本文着眼于考虑多缸柴油发动机在最大输出扭矩转速范围内缸盖和缸体的合理冷却，根据水套内冷却液流动规律，在温度允许上下限之间，设计一种多缸发动机混合式冷水水套。

1  柴油机冷却水套模型

原冷却水套模型（如图1所示）出水口在两侧，在原有水套模型基础上改进水套入口为半切向进水方式（如图2所示），另新增三个缸间小分水孔，2、3缸排气侧水孔尺寸减小、1、4缸进气侧水孔尺寸减小，出水口在2、3缸处。

2  两相流模型的数学描述

欧拉双流体模型是目前最能描述实际两相流动的模型，尤其在于沸腾流动换热方面[3]，关于其质量、动量和能量方程如下式：

液相和气相的动量守恒方程：液相和气相的能量守恒方程：加热壁面沸腾传热模型：

Rohsenow拟合测试数据后得到了一个适用用于计算沸腾表面热流量方程：

3  仿真计算

3.1 冷却液的物理属性

计算介质选择纯水，其物理属性如下：密度：1000kg/m3;粘度：1.01×10-3Pa·s;比热容：4.2×103J/（kg·℃）;导热率：0.59W/（m·K）。

3.2 计算模型边界条件及方法

发动机工作在最大输出转矩315N·m时转速为1400-2400r/min，进口的流速3.0kg/s，冷却液进水口温度358K，环境温度293K，大气压强101.325kPa，湿度83%，出口条件（outflow）认为冷却水在缸盖出口处是充分发展的流动。在模拟计算过程中认为冷却液在机体、缸盖冷却水通道中的流动是绝热、不可压缩的粘性湍流流动，采用Realizable k-ε标准湍流模型，近壁面区域应用标准壁面函数，采用Simple算法，设定残差小于10-4。

4  计算结果分析

4.1 水套速度场结果分析

图3冷却水套速度场分布流线图，a与b分别为原方案和改进方案冷却水套内部整体速度场分布情况，通过对比可看出原方案圆口入水口较半切向入水方式流速较低。原1缸侧分流较多液体，3缸缸体水套进气侧液体流速骤减，2、3缸缸盖水套进气侧均出现流量少的问题，两缸缸盖间出现流动死区，这是因为两股动能大致相当的液体在该位置出现撞击，且出水口位于两侧。改中半切向入水口流速提高，基本均分流向两侧1缸、4缸的冷却水，2、3缸缸垫分水孔尺寸减小的设计增加了绕行缸体流向1、4缸的冷却水，并引入水套上部1、4缸缸盖排气侧高温区;而进气侧1、4缸缸盖分水孔尺寸减小，增加流向同侧2、3缸的液体量，同时新增的三个小分水孔进一步增加绕行相邻两缸间狭壁处流量，出水口位置在2、3缸，消除了2、3缸相交处缸盖水套的流动死区问题。从水套入口到出口的冷却液流动过程中没有出现任何断流的现象，分水孔内最高流速可达到2.51m/s，较原方案提高了0.7m/s。

4.2 水套温度场结果分析

图4缸盖冷却水套壁面温度场为原方案a和改进方案b缸盖水套壁面各位置温度情况，发动机在最大扭矩点工况下缸盖温度最高，从温度云图上看到受高温的排放气体影响排气侧温度均高于进气侧，其中排排鼻梁区处的温度最高。原方案第4缸缸盖温度最高561.6K，第2缸缸盖最高温最低544K，两者相差17.6K，第3缸最高温比第2缸仅高4K，流入第3缸缸盖冷却水温度较第2缸高，却减小了冷却水的过冷度，在鼻梁区过冷沸腾程度增加，到达第4缸缸盖冷却水温度继续增加且来缸盖窄壁冷却水进入完全沸腾过程，沸腾的气泡增加了鼻梁区等腔体的冷却水流动阻力，温度增加程度大幅增加。缸盖进气侧温度差异同样较大，流动死区影响2、3缸进气侧温度，3缸受死区影响最大。观察改进方案的云图可看到各缸盖进排侧最高温差异程度适量减轻，第4缸缸盖最高温550K比第2缸539.8K高出10.2K，第1缸与第4缸、第2缸与第3缸温度分布大致相当，整个缸盖温度梯度相对较小，利用提高冷却液流速增强对第2、3缸换热程度，利用较多的冷却液增强对1、4缸的换热，第2、3缸平均温度低于第1、4缸，过冷沸腾在2、3缸相对1、4缸的排排区域水套腔内发生程度更高，发挥了更好的换热作用。

5  结论

①通过设置切向入口方式、调整缸垫分水孔尺寸、出水口位置及新增分水孔的手段，实现了混合式冷却水套方案，分水孔尺寸减小卻提高液体进入缸盖速度，提高流体整体平均动能;新增小分水孔消除2、3缸盖流动死区同时增加绕行相邻两缸间的流量;较多冷却液均分并流向两侧气缸，并绕行至缸体进气侧，由于分水孔尺寸减小阻力增加，较多绕行液体流向2、3缸进气侧并进入缸盖水套再流出，可使该水套呈现出混合式冷却效果。

②改进方案中2、3缸缸盖水套窄腔内冷却水量减少但流速相对提高，为过冷沸腾气泡脱离壁面增加了湍动能，因此减少流量的情况下鼻梁区温度不增反减，1、4缸冷却水流动路径增加了液体温度减小了过冷度，缸盖水套内过冷沸腾程度较原方案提升。

参考文献：

[1]陈家瑞.汽车构造（上册）[M].北京人民交通出版，2002：240.

[2]王兆文.重载车用柴油机缸盖内冷却水流动分析及强化传热研究[D].华中科技大学，2008.

[3]谷芳，吴华杰，崔国起.基VOF两相流的缸盖过冷沸腾模型及试验验证[J].发动机学报，2014（4）：372-376.