（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院湖北武漢430033）

柴油機(jī)冷卻水套上水孔結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)的影響分析*

王東玉 張萍 劉振明 王銀

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院湖北武漢430033）

柴油機(jī)冷卻水套結(jié)構(gòu)對(duì)水流場(chǎng)分布、冷卻效果及零部件工作的可靠性有直接影響?；贑FD仿真平臺(tái)，分析了冷卻水套上水孔（機(jī)體冷卻水套上到缸蓋底面位置）不同角度對(duì)整機(jī)及單缸水流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明：計(jì)算得到的氣液相變區(qū)域與實(shí)機(jī)發(fā)生區(qū)域較為吻合；上水孔角度選為0°時(shí)，整機(jī)水流場(chǎng)分布較15°角時(shí)更為合理，流動(dòng)死區(qū)得到顯著改善，單缸水套計(jì)算得到的含氣率隨上水孔角度變化不明顯。

柴油機(jī)冷卻水套上水孔CFD含氣率

引言

柴油機(jī)正向著高強(qiáng)度化、輕型化的方向發(fā)展，工作負(fù)荷越來(lái)越大、持續(xù)運(yùn)行時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，因此對(duì)柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)提出了精確冷卻的要求[1]，即滿足冷卻效果的同時(shí)需保證高的熱功轉(zhuǎn)換效率，避免零部件的熱裂失效。眾所周知，上水孔在水套內(nèi)起著對(duì)冷卻液流動(dòng)的導(dǎo)向作用，其流道形狀和總流通面積決定著冷卻液局部流速和流量，直接影響氣缸蓋的冷卻效果。此外，在上水孔位置由于冷卻液流通截面積變小，導(dǎo)致該處易造成壓力損失，同時(shí)流道也會(huì)發(fā)生改變，造成該處流動(dòng)受阻，冷卻液局部溫度升高，發(fā)生氣液相變的幾率增大，在活塞高頻沖擊下，水套壁面也會(huì)產(chǎn)生穴蝕現(xiàn)象[2-6]。因此本文基于CFD仿真平臺(tái)，以上水孔設(shè)計(jì)角度為研究對(duì)象，開(kāi)展整機(jī)及單缸冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)的數(shù)值模擬，比較分析設(shè)計(jì)角度對(duì)整機(jī)及單缸冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)的影響，為加工中該角度的選取提供技術(shù)參考[7]。

1研究對(duì)象及相關(guān)說(shuō)明

1.1 冷卻系統(tǒng)整機(jī)水套結(jié)構(gòu)

圖1為某型柴油機(jī)機(jī)體上水孔示意圖，圖中給出上水孔流道中心線與水平線的夾角范圍為0°～15°。本文擬針對(duì)15°夾角和0°夾角兩種情況，分析冷卻水套上水孔角度對(duì)冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)的影響。

圖1 柴油機(jī)機(jī)體上水孔示意圖

圖2為柴油機(jī)整機(jī)冷卻水套三維模型。主要由水套入口、A缸排水套、B缸排水套、V型夾角內(nèi)W型水腔組成。圖3為整機(jī)剖面圖，中間為W型冷卻水腔。工作中，冷卻液由淡水泵壓入水套入口，經(jīng)W型水腔分別進(jìn)入增壓器和各氣缸的下部，各缸冷卻水套中部是相互連通的，其各缸底部由連通水道相連通，冷卻液從冷卻水腔底層向上流動(dòng)，進(jìn)入水腔上層后由頂部位置的上水口進(jìn)入缸蓋水腔，除分布在兩端的四個(gè)氣缸布有三個(gè)上水口外，其余各缸布有四個(gè)上水口，最后由各氣缸蓋出水口匯入支管，流入A、B缸的出水總管，至此冷卻液流出柴油機(jī)的本體。圖4為水套頂部位置處上水孔示意圖。

圖2 柴油機(jī)整機(jī)水套三維模型

圖3 整機(jī)水套橫剖面W型水腔示意圖

圖4 上水孔示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分、邊界條件的設(shè)定及模擬工況說(shuō)明

對(duì)整機(jī)水套模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為1 392萬(wàn)，生成的網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 柴油機(jī)整機(jī)水套模型三維網(wǎng)格圖

模擬工況選擇為額定工況：轉(zhuǎn)速1 050 r/min，輸出功率5 184 kW。壁面設(shè)置選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，在湍流模型的選擇上采用雙方程模型。具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

在上述模擬工況下，分別選取上水孔夾角為15°和0°兩種情況，如圖6所示，分析其對(duì)冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)的影響。

圖6 上水孔不同角度計(jì)算模型

2上水孔不同角度的計(jì)算結(jié)果與對(duì)比

2.1 整機(jī)水流場(chǎng)分布的計(jì)算結(jié)果與對(duì)比

圖7為兩種角度下整機(jī)水套流場(chǎng)壓力分布圖。從圖中可以看出，15°夾角時(shí)W型水腔的平均壓力為337 KPa，0°夾角時(shí)W型水腔的平均壓力約為383 KPa。通過(guò)對(duì)圖中壓力數(shù)值的分析，兩種夾角情況下，其上水孔出口位置壓力均為335 KPa，對(duì)比0°夾角與15°夾角下的W型水腔平均壓力與上水孔出口壓力差值，上水孔引起的壓力損失有一定的增加，冷卻液流動(dòng)阻力升高，從上水口進(jìn)入缸蓋的總冷卻液流量減少。

圖7 兩種角度下整機(jī)水套流場(chǎng)壓力分布圖

圖8為兩種夾角下導(dǎo)流孔流動(dòng)死區(qū)水套流線圖。

圖8 兩種夾角下導(dǎo)流孔流動(dòng)死區(qū)水套流線圖

從圖8中可以看出，0°夾角下水套底部連通水道流動(dòng)死區(qū)流線扭曲、變形、斷裂情況較15°夾角下有所加劇，但對(duì)比A8缸的流動(dòng)情況，在W型水腔進(jìn)口與底部連通水道之間區(qū)域流場(chǎng)流線有所改善，圖9為兩種夾角下A8缸水套流場(chǎng)流線對(duì)比圖。

圖9 兩種夾角下A8缸水套流場(chǎng)流線對(duì)比圖

對(duì)單缸水套中W型水腔入口和連通水腔入口之間區(qū)域進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域中流動(dòng)死區(qū)現(xiàn)象非常明顯，說(shuō)明流場(chǎng)流動(dòng)性較差。在兩種夾角下對(duì)整機(jī)水套進(jìn)行模擬，圖10為兩種夾角下氣缸水套流線對(duì)比圖。觀察A5、B5和B6缸各氣缸的流動(dòng)死區(qū)，對(duì)相同位置進(jìn)行仔細(xì)對(duì)比，可以觀察到0°夾角的流場(chǎng)分布較15°夾角的流場(chǎng)分布有很好的改善。圖11為兩種夾角下B2、B1缸水套流線對(duì)比圖。對(duì)B2、B1缸不同夾角下流場(chǎng)流線進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)0°夾角下B2、B1缸氣缸外側(cè)流場(chǎng)的流動(dòng)死區(qū)情況較15°夾角下有所改善，流場(chǎng)流線的斷裂和扭曲都有所減輕，說(shuō)明0°夾角下對(duì)B2、B1缸的流場(chǎng)分布起到改善作用。

圖10 兩種夾角下A5、B5和B6缸水套流線對(duì)比圖

圖11 兩種夾角下B2、B1缸水套流線對(duì)比圖

2.2 單缸水流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果與對(duì)比

2.2.1 單缸水套模擬的氣液相變區(qū)域與實(shí)機(jī)發(fā)生區(qū)域?qū)Ρ?/p>

本文選取氣缸套外表面損傷較為明顯的A2缸作為研究對(duì)象，圖12為A2缸外表面損傷區(qū)域示意圖。

圖12 A2缸外表面損傷區(qū)域示意圖

圖13為A2缸單缸水套三維模型，劃分網(wǎng)格數(shù)量為423萬(wàn)，圖14為單缸水套網(wǎng)格圖。如圖所示，模型中有3個(gè)進(jìn)口，6個(gè)出口。3個(gè)進(jìn)口：底部連通水道進(jìn)口inlet4，W型水腔進(jìn)口inlet5，連通水腔進(jìn)口inlet7；6個(gè)出口：四個(gè)上水孔出口outlet1、outlet2與outlet8，底部連通水道進(jìn)口outlet3，連通水腔出口outlet6。

圖13 A2缸單缸水套三維模型

圖14 單缸水套網(wǎng)格圖

從整機(jī)水套流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果中提取單缸水套模擬計(jì)算的邊界條件，如表2所示。

表2 單缸水套邊界條件

圖15為壓力曲線及含氣率統(tǒng)計(jì)區(qū)域圖。與圖12進(jìn)行對(duì)比，在缸套外表面凸肩下方有顯著氣液相變部位，與實(shí)際情況中實(shí)機(jī)發(fā)生區(qū)域相吻合，證實(shí)其仿真方法有效。根據(jù)這一結(jié)果，將氣相體積組分統(tǒng)計(jì)區(qū)域設(shè)置為距離缸套外表面凸肩下方70 mm處為中心的100 mm×100 mm水套內(nèi)表面區(qū)域。

圖15 壓力曲線及含氣率統(tǒng)計(jì)區(qū)域圖

2.2.2 兩種工況下單缸水套水流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果與對(duì)比

模擬兩種夾角下單缸水套流場(chǎng)分布，所得壓力和氣相體積組分隨時(shí)間變化曲線如圖16、圖17所示。

在曲軸轉(zhuǎn)角0°至180°范圍內(nèi)，壓力曲線呈振蕩態(tài)勢(shì)，0°夾角下平均水平略低于15°夾角下水平；在曲軸轉(zhuǎn)角180°之后，壓力曲線非常接近，規(guī)律振蕩周期內(nèi)大部分時(shí)間幾乎重合，0°夾角下僅僅略高于15°夾角下情況；在540°曲軸轉(zhuǎn)角和900°曲軸轉(zhuǎn)角位置，出現(xiàn)局部峰值0°夾角下高于15°夾角下情況，分別約為9 kPa、6 kPa。壓力曲線反映的單缸變化規(guī)律和上水孔角度調(diào)整前后整機(jī)水套壓力云圖所反映的規(guī)律一致，總體壓力變化不大。

圖16 兩種夾角下壓力變化曲線

圖17 兩種夾角下含氣率變化曲線

0°夾角下的含氣率曲線幾乎與15°夾角下相重合，說(shuō)明上水孔機(jī)加工角度變化對(duì)氣液相變區(qū)域含氣率變化影響不大。圖18為兩種夾角下含氣率對(duì)比云圖。

圖18 兩種夾角下含氣率對(duì)比云圖

3結(jié)論

1）仿真計(jì)算得到的氣液相變區(qū)域與實(shí)機(jī)發(fā)生區(qū)域較為吻合，流動(dòng)情況較差的流動(dòng)死區(qū)可能引起穴蝕發(fā)生。

2）上水孔角度選為0°時(shí)，整機(jī)水流場(chǎng)流動(dòng)死區(qū)得到改善，分布較15°角時(shí)更為合理，單缸水套計(jì)算得到的含氣率隨上水孔角度變化不明顯。

1徐立華．柴油機(jī)氣缸套穴蝕產(chǎn)生的原因、影響因素及防止措施[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（5）：199-201

2姚濤，張亮亮．氣缸套穴蝕機(jī)理分析及其抗穴蝕性能研究[J]．內(nèi)燃機(jī)與配件，2014（6）：38-40

3夏冬升，張會(huì)臣，張信偉．基于CFD的柴油機(jī)氣缸套冷卻水空化特性數(shù)值分析[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2010，28（4）：368-373

4王兆文，黃榮華，成曉北，等．車用柴油機(jī)氣缸蓋熱負(fù)荷的改善[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，36（8）：99-102

5徐剛，姜樹(shù)李，董非，等．基于CFD分析的單缸風(fēng)冷柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J]．小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車，2011，40（6）：62-65

6屈盛官，夏偉，王穎，等．高強(qiáng)化柴油機(jī)氣缸套周圍冷卻水流動(dòng)的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究[J]．內(nèi)燃機(jī)工程，2004，25（4）：32-35

7鄭力銘．ANASYS Fluent 15.0流體計(jì)算從入門到精通[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2015

Analysis of Impact of the Upper Nozzle Structure of Diesel Engine Cooling Water Jacket on Flow Field

Wang Dongyu,Zhang Ping,Liu Zhenming,Wang Yin
College of Power Engineering,Naval University of Engineering(Wuhan,Hubei,430033,China)

Diesel engine cooling water jacket structure has direct influences on flow field distribution, cooling effect and the reliability of components and parts.This article analyses the impact of different upper nozzle angles on the whole flow field of diesel engine and single cylinder flow field based on CFD simulation platform.The results illustrate that:the place of phase transition area through CFD is similar as physical machine.When the angle of upper nozzle chooses 0°,the distribution of whole flow field of diesel engine becomes better than 15°angle of upper nozzle,and the volume fraction of single cylinder has little changes.

Diesel,Cooling water jacket,Upper nozzle,CFD,Volume fraction

TK414.2

A

2095-8234（2016）06-0058-06

2016-09-30）

湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2016CFB623）：發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)沸騰強(qiáng)化傳熱研究。

王東玉（1987-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榕灤瑒?dòng)力及熱力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制與故障診斷。

張萍（1974-），女，副教授，博士，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及智能控制。