基于STAR-CCM+的双节温器总成流阻特性数值模拟

王凤娟，李雷，曾超，付春雨，刘文涛，薛厚庆

（1.261061 山东省 潍坊市 内燃机可靠性国家重点实验室；2.261061 山东省 潍坊市 潍柴动力股份有限公司）

0 引言

节温器是发动机冷却系统的关键零部件，通过对其阀片开度的控制，实现对发动机冷却系统大循环与小循环的动态调节，对于整车冷却循环具有重要意义[1-2]。目前，为加大冷却液流动面积、强化冷却效果、增强节温器工作可靠性，越来越多的大排量柴油机冷却系统采用双节温器配置。其中，双节温器流阻特性的准确性直接影响整车冷却系统流量和压力分布[3-4]。刘吉林等[5]以冷却系统一维计算的流量结果为边界，进行节温器三维压力场分析，获得了节温器主阀压力值；谭礼斌等[6]通过研究不同节温器状态对散热器整体流动阻力的影响，获得了节温器不同小循环管路内径值与流动阻力间的变化关系，依据流场分析结果为结构改进提供支持；赵前进[7]、孔祥健等[8]采用一维和三维联合分析模拟调温器总成的压力场和流动分布，为调温器主副阀弹簧力选择及结构优化提供数据支持。上述文献主要以单节温器为研究对象，未涉及双节温器总成的仿真分析。而在对双节温器配置的整车冷却系统进行流量和压力仿真时，发现供方所提供的双节温器流阻特性是通过把单个节温器安装在工装上测试获取的。但双节温器总成中2 个节温器布置存在差异，流量分配不均匀，且内部介质存在较大的流动速度变化，导致双节温器总成阻力要比供方提供的单个节温器阻力大。

本文以某发动机双节温器总成为研究对象，通过三维CFD 数值模拟获得其流阻特性，以此为仿真输入，进行整车冷却系统一维计算，以获取各水冷部件在额定工况下的流量分配与节点压力分布。通过对双节温器总成样件进行台架测试，获取其试验流阻特性，验证流阻特性仿真的精确度；对实车进行系统压力测试，以对标冷却系统一维计算结果，验证一维仿真方法的准确性。

1 双节温器总成流阻特性分析

1.1 模型建立及边界定义

以某发动机双节温器总成为例，其处于全开状态下的三维模型（含节温器盖与部分出水管）如图1 所示。提取双节温器内部流道进行流阻特性仿真，生成的过流壁面CFD 模型和局部体网格剖视图如图2 所示。

图1 双节温器总成三维模型Fig.1 3D model of dual thermostat assembly

图2 流场仿真模型Fig.2 Flow field simulation model

计算时，选定流体为50%的冷却液，即水和乙二醇的比例为1∶1；介质参数为90 ℃下冷却液的密度及动力粘度。计算模型采用k-ε湍流模型；入口采用垂直于入口截面的流速入口，出口采用压力出口边界。

1.2 流阻特性计算

分别对多组不同进口流量下的仿真模型进行CFD 流场仿真分析，通过进、出口所在截面的压力均值计算各流量下的双节温器总成进、出口总压压降ΔP，结果如表1 所示。

表1 流阻仿真结果Tab.1 Simulation results of flow resistance

以600 L/min 流量下的双节温器总成流场仿真为例，其速度云图（以双节温器体所在中心面为视图剖面）及速度流线图分别如图3、图4 所示，可知冷却液在2 个节温器间的流动是不一致的，且在节温器内部小间隙处流动时存在较大的流速梯度变化。节温器总成压力云图如图5 所示，可见内部流通截面急剧变化的流域压力分布不均匀，并产生较大的压力损失。

图3 速度云图Fig.3 Velocity nephogram

图4 速度流线图Fig.4 Velocity flow diagram

图5 压力云图Fig.5 Stress nephogram

2 冷却系统一维计算

2.1 搭建计算模型

额定张力状态下，FEAD 系统的皮带长度即为有效长度1 795.3 mm，自动张紧器在名义位置处提供的张紧力矩为48.8 N·m。

基于整车冷却系统布置，搭建水泵、机体及缸盖水套、节温器、油冷器、散热器等主要用水部件及其连接管路模型[9]，冷却系统一维模型如图6所示。

图6 冷却系统一维模型Fig.6 1D-model of cooling system

2.2 一维计算参数设置及结果

在发动机额定转速1 950 r/min下，水泵、油冷器、散热器的特性参数依据各供方提供的输入参数进行设定[10]；节温器流阻特性曲线采用CFD 仿真值；机体及缸盖水套的流阻特性按照式（1）计算的阻力损失系数[11]进行设置

式中：ΔP——压力损失，Pa；K——阻力损失系数；ρ——冷却液密度，kg/m³；Qv——体积流量，m³/s；A——横截面积，m²。

根据仿真结果，额定工况下的冷却系统一维流量分布如图7 所示，各节点压力分布如图8 所示。

图7 各部件流量分布Fig.7 Flow distribution of each component

图8 各节点压力分布Fig.8 Pressure distribution at each node

3 流阻特性及水侧压力测试

对节温器进行流阻特性台架测试，验证总成件的CFD 仿真方法可靠性；基于实际整车进行水侧压力测试，校验一维仿真方法的准确性。

3.1 流阻特性试验

流阻特性试验原理及工装示意图分别如图9、图10 所示。出水管进口及节温器盖出口位置分别连接测试装置的进、出水软管；传感器采用GE 德鲁克压力传感器，上、下游测点分别位于流阻仿真模型的进、出口所在截面位置。

图9 流阻特性试验原理图Fig.9 Schematic diagram of flow resistance characteristic test

图10 工装示意图Fig.10 Schematic diagram of tooling

试验完成后，提取双节温器总成流阻实测结果，并与CFD 仿真结果进行对比，如图11 所示。由图11 可知，各流量下的双节温器总成仿真流阻与实测值均比较接近，流阻特性曲线吻合性较好，最大偏差仅为8.4%，有效验证了双节温器总成流阻仿真结果的准确性。

图11 仿真与实测流阻特性对比曲线Fig.11 Comparison curves of flow resistance characteristics between simulation and test

3.2 水侧压力测试

水侧压力测试中各测点布置如图12 所示。

图12 压力传感器测点位置Fig.12 Testing position of pressure sensor

整车满油门工作，使水温升高至节温器初开随后至节温器全开状态，稳定后取各测点压力值，并与一维仿真的对应节点压力进行对比分析，结果如表2 所示。

表2 各测点位置压力数值Tab.2 Pressure value of each testing position

由表2 可知，各测点压力仿真值与测试值基本吻合，最大偏差值为3.8%，验证了冷却系统一维仿真方法的准确性，进一步印证了所建立的双节温器流阻特性仿真模型是精确可靠的。

4 结语

（1）利用STAR-CCM+软件进行双节温器总成CFD 仿真，可获取部件流阻特性，并作为冷却系统一维计算的输入参数，进行整车冷却系统流量与压力匹配计算。

（2）基于一维与三维联合仿真计算，获取整车冷却系统部件水流量与节点压力，指导水冷部件的选型匹配，缩短产品开发周期，助力各细分行业的精准配套。

（3）通过双节温器总成流阻特性试验及整车水侧压力测试，验证了三维CFD 仿真及冷却系统一维仿真建模方法的准确性，同时该方法对于其他过流部件的降阻设计与优选适配具有借鉴意义。