張旭 李紅政 關(guān)帥

摘 要：現(xiàn)階段，借助于軟件對四缸汽油發(fā)動機(jī)械的冷卻水套開展數(shù)值的模擬，經(jīng)由分析模擬的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該款發(fā)動機(jī)的缸體冷卻水套在設(shè)計(jì)過程中的確存有明顯的缺陷，進(jìn)而提出了一套缸體冷卻的優(yōu)化策略，并對這一優(yōu)化的方案開展數(shù)值化模擬，結(jié)果顯示，優(yōu)化后缸體的冷卻的實(shí)際效果有了一定程度的提高。本文運(yùn)用CFD分析缸體冷卻水套的全過程，進(jìn)而不斷地優(yōu)化發(fā)動機(jī)缸體的水套結(jié)構(gòu)，保障發(fā)動機(jī)具備相對理想的機(jī)內(nèi)冷卻條件。

關(guān)鍵詞：CFD；發(fā)動機(jī)；缸體；冷卻水套；優(yōu)化方案

就當(dāng)前來講，發(fā)動機(jī)開發(fā)過程中需用到冷卻水套的CFD分析這一計(jì)算途徑，運(yùn)用這一計(jì)算技術(shù)喲助于確保發(fā)動機(jī)設(shè)備在熱負(fù)荷比較高的排氣管道周邊擁有相對理想的冷卻液循環(huán)流動，而產(chǎn)生較少的壓力損失。本文在概念設(shè)計(jì)時(shí)期借助于CFD分析發(fā)動機(jī)械缸體的冷卻水套，通過建立模型等提出進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1.建立模型的方法

1.1.分清算法及各類邊界條件

一般情況下，冷卻液需選擇50%的乙二醇及50%的水制成混合液，運(yùn)用處于穩(wěn)定狀態(tài)下的計(jì)算模式，在模擬計(jì)算時(shí)，應(yīng)設(shè)冷卻液在水套內(nèi)部為絕熱的流動狀體，不容壓的粘性流動，計(jì)算時(shí)運(yùn)用有限的體積法將計(jì)算區(qū)域分成散亂化的管理體積網(wǎng)格，在每個(gè)管理體積上積分管理方程，產(chǎn)生變量計(jì)算的數(shù)學(xué)方程，在模擬計(jì)算時(shí)，需求出持續(xù)性的方程、能量守恒的方程以及動量方程等。

通常要滿足下列三項(xiàng)條件：首先，在出口邊界，應(yīng)符合壓力出口的邊界條件，大氣壓充當(dāng)出口壓力；其次，入口邊界的進(jìn)口速率可依照缸體冷卻水套的冷卻液入口位置的實(shí)際流量以及入口處的面積計(jì)算得到，進(jìn)口的速率通常為2.5m/s；壁面的邊界上，壁面需運(yùn)用防滑移固壁，也就是說，固體外表上流體速率為零。

1.2.構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型及幾何模型

在本次研究中，運(yùn)用北京現(xiàn)代α1.6型汽油發(fā)動機(jī)械缸體的冷卻水套作為直接探究的對象，幾何模型通過三維CAD系統(tǒng)軟件加以確立。毋庸置疑，模型的建立是一個(gè)相對繁瑣的過程，在開展仿真計(jì)算時(shí)會耗費(fèi)大量的時(shí)長，在保證不影響模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，對模型開展一系列簡易化的處置辦法。

幾何模型的創(chuàng)建需經(jīng)UG系統(tǒng)以輸出STP格式的圖形格式進(jìn)行制作，接著用固定的網(wǎng)格生成系統(tǒng)劃分缸體冷卻水套的網(wǎng)格，冷卻水套的外表網(wǎng)格可定為三角形狀，流動的區(qū)域愚弄四面體的網(wǎng)格加以區(qū)分，冷卻水套整體運(yùn)用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，在臨近冷卻水套壁面的區(qū)域周邊，運(yùn)用四面體的網(wǎng)格單元，以便于合乎相對繁瑣的三維空間區(qū)域，在這期間，可對冷卻水套的流動參數(shù)的變化明顯的部位加以適度的網(wǎng)格加密限制。

2.流動仿真的模擬化結(jié)果

2.1.缸體冷卻水套外側(cè)面的矢量

冷卻液在進(jìn)入發(fā)動機(jī)械的缸體冷卻水套之后，因先前受水泵葉輪旋轉(zhuǎn)作用等要素的制約和影響，冷卻液的流動并非呈現(xiàn)單線的形態(tài)，在缸體冷卻水套的首缸外壁面部位的冷卻液未能徹底地沿缸體產(chǎn)生橫向的流動，而是在起先階段流到缸體下底面，接著經(jīng)缸體的下底面流動到缸體的上方一側(cè)，不難發(fā)現(xiàn)，冷卻液在水套的首個(gè)缸外壁面的位置出現(xiàn)了漩渦的情形，這樣一來，直接造成首缸體冷卻水套的一些流動的阻力增加劇烈，冷卻液在冷卻水套的外壁面流動速率每況愈下，直接降低了自身的冷卻效果。

2.2.缸體冷卻水套的氣溫

發(fā)動機(jī)缸體的冷卻水套，其氣溫的分布并非均勻不變的，冷卻水套的排氣一側(cè)的氣溫通常要超過進(jìn)氣一側(cè)的氣溫，另外，由于缸體冷卻水套在第四個(gè)缸部位的冷卻液流動速度相對較低，直接致使第四個(gè)缸體冷卻水套內(nèi)部的氣溫高于另外的每個(gè)缸。

2.3.缸體冷卻水套頂平面及底平面的速度

一般情況下，缸體水套的上頂部，冷卻液的流動速率相對迅速，平均的流動速率可達(dá)到1.2m/s.，在第四缸的右端，流動速率始終未降到零，僅在排氣一側(cè)有較少流動速率<0.2m/s的位置。

冷卻液在缸體冷卻水套的下底部流動速率較為遲緩，平均流動的速率僅為0.7m/s，在第四缸的右端部位，流動速率一度下降到零，同時(shí)，冷卻液在進(jìn)氣一側(cè)的流動速率均稍高于排氣一側(cè)。綜合對比，不難發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機(jī)械設(shè)備的缸體冷卻水套，其上頂部的冷卻液具體的流動速率要高于水套下底部的速率。

3.優(yōu)化方案的對比

3.1.優(yōu)化方案

通過以上模型分析結(jié)果可知，冷卻液在冷卻水套的首缸體外壁面的部位出現(xiàn)了漩渦狀況，直接造成缸體冷卻的水套內(nèi)部，冷卻液的流動阻力呈現(xiàn)增加的態(tài)勢，流動速率得以下降，給首缸體冷卻水套外壁面的冷卻任務(wù)產(chǎn)生了負(fù)面影響。另外，在第四個(gè)缸部位，顯著出現(xiàn)了較低的冷卻液流動速率的位置，造成冷卻水套的第四個(gè)缸部位個(gè)別區(qū)域熱負(fù)荷的增加，這便需不斷地改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)難，以便于整體提升冷卻的效果，方案如下：

首先，可將冷卻水套的冷卻液入口方位下降15mm，采用使冷卻液入口下降的方案避免首缸水套外壁面出現(xiàn)嚴(yán)重的漩渦現(xiàn)象，使冷卻液在首個(gè)缸冷卻水套的外壁面的位置處呈現(xiàn)單線的流動狀態(tài)。其次，調(diào)整冷卻液水孔的具體結(jié)構(gòu)，在冷卻水套的排氣一側(cè)的4個(gè)圓形處的小孔部位，其冷卻液的流量相對較小，不但未能增加排氣一側(cè)冷卻液的上水量，還使冷卻水套排氣一側(cè)另外部位上的水孔冷卻液的實(shí)際量降低，所以，要將其去除。在這期間，為有效地增加首缸排氣一側(cè)方位處的水孔冷卻液量，可把起先用到的首個(gè)缸體冷卻水套進(jìn)氣一側(cè)的26號上水孔予以去除，進(jìn)而完成整個(gè)方案的優(yōu)化

3.2.同原結(jié)構(gòu)的分析比較

經(jīng)同原結(jié)構(gòu)加以比較可知，冷卻液的流動速率略微增加，冷卻水套上頂部冷卻液的流動速率也有相應(yīng)的增加，這對于改善冷卻效果是大有裨益的。

結(jié)語：

綜上所述，發(fā)動機(jī)械缸體冷卻水套內(nèi)部的冷卻液流動需合乎冷卻的規(guī)范，然而，也暴露一些缺陷，需通過設(shè)計(jì)方案的不斷優(yōu)化，增強(qiáng)提升冷卻液的流動速率，達(dá)到增強(qiáng)冷卻效果的目標(biāo)。

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