譚禮斌，袁越錦，趙 哲，徐英英

（陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021）

冷卻水套中冷卻液的流動(dòng)及傳熱性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能具有顯著的影響［1］。冷卻水套作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的重要組成部分，其主要作用是利用冷卻液的流動(dòng)帶走發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的熱量并散發(fā)到外部環(huán)境中，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在合適的溫度下順暢運(yùn)行；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)整體的散熱能力主要取決于2個(gè)方面：一方面為散熱器與風(fēng)扇的匹配；另一方面則是冷卻水套冷卻性能的匹配［2］。采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法研究冷卻水套內(nèi)部流場(chǎng)特性及傳熱性能具有一定的困難，且要耗費(fèi)大量的人力物力。隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬方法在實(shí)際工程項(xiàng)目中的廣泛運(yùn)用，采用三維CFD計(jì)算技術(shù)進(jìn)行工程機(jī)械加工過(guò)程介質(zhì)流動(dòng)及傳熱特性的研究及零部件優(yōu)化已成為工程機(jī)械設(shè)計(jì)開發(fā)及加工行業(yè)的趨勢(shì)。如雷基林等［3-4］采用CFD分析軟件FIRE對(duì)臥式柴油機(jī)冷卻水套內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行了分析，對(duì)冷卻水套冷卻性能提升提供了改進(jìn)意見。方強(qiáng)等［5］將流體計(jì)算傳熱邊界映射到整機(jī)有限元分析網(wǎng)格獲取缸蓋溫度，與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了缸蓋熱負(fù)荷設(shè)計(jì)滿足要求。高瑩等［6］采用Fluent軟件對(duì)KM48天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)水套進(jìn)行了仿真及優(yōu)化改進(jìn)。魏丹等［7-8］采用建模仿真與優(yōu)化結(jié)合的方法，快速獲得冷卻水套樣機(jī)模型，且冷卻性能滿足設(shè)計(jì)要求。Chen等［9］分析了冷卻水套不同進(jìn)水方式對(duì)缸內(nèi)熱分布特性的影響。Fontanesi等［10-11］利用流固耦合方法對(duì)柴油機(jī)冷卻水套流動(dòng)特性及固體溫度分布特性進(jìn)行了研究，為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了理論支撐。ZHANG Z Q等［12］利用STAR-CCM+研究了汽油機(jī)渦輪增壓器軸承冷卻水套的流動(dòng)及沸騰傳熱特性，為冷卻水套設(shè)計(jì)提供了技術(shù)指導(dǎo)。由此可見，目前CFD仿真技術(shù)已是研究發(fā)動(dòng)機(jī)及其相關(guān)系統(tǒng)或零部件性能的主要手段。針對(duì)不同類型的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中都會(huì)有一定的差異，采用CFD方法可以獲得任意產(chǎn)品在運(yùn)行工況下的冷卻液流動(dòng)信息，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的冷卻性能，為冷卻水套冷卻性能的評(píng)估及優(yōu)化提升提供理論支撐。

以某高端跑車系列的一款摩托車?yán)鋮s系統(tǒng)中的冷卻水套樣機(jī)原型為研究對(duì)象，采用CATIA對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行三維構(gòu)建。利用流場(chǎng)分析軟件STAR-CCM+11.06對(duì)冷卻水套進(jìn)行流動(dòng)與傳熱的流固共軛傳熱分析，分析冷卻水套內(nèi)流場(chǎng)分布和傳熱特性，為冷卻水套的冷卻性能評(píng)估提供仿真數(shù)據(jù)支撐。

1 冷卻水套的CFD分析

1.1 物理模型

某發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭、缸體三維模型按照樣機(jī)模型采用CATIA軟件以1∶1等比例繪制，并利用體積抽取功能對(duì)缸頭、缸體封閉區(qū)域進(jìn)行冷卻水套計(jì)算流體域體積的創(chuàng)建。采用STAR-CCM+11.06中的多面體網(wǎng)格技術(shù)和邊界層網(wǎng)格技術(shù)對(duì)該冷卻水套進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用局部細(xì)致網(wǎng)格加密的方式對(duì)鼻梁區(qū)、缸孔等進(jìn)行加密處理。冷卻水套網(wǎng)格基本尺寸設(shè)置為1 mm，最小尺寸為0.5 mm，邊界層為6層，增長(zhǎng)比為1.5，邊界層厚度為0.2 mm，鼻梁區(qū)及缸孔區(qū)域體網(wǎng)格加密尺寸為0.2 mm。網(wǎng)格劃分完成后，冷卻水套及缸體、缸頭的網(wǎng)格數(shù)量總數(shù)量約為1 100萬(wàn)，其中冷卻水套網(wǎng)格數(shù)量約為350萬(wàn)，缸頭、缸體固體域網(wǎng)格約為750萬(wàn)。冷卻水套的幾何模型與網(wǎng)格模型如圖1所示，缸頭、缸體固體域的幾何模型與網(wǎng)格模型如圖2所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

冷卻水套CFD分析過(guò)程遵循流體三大基本控制方程，即連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程；湍流計(jì)算模型選擇為k-ε兩方程湍流模型，壓力、速度耦合采用 SIMPLE算法，采用壓力基求解器（pressure-based）求解［13-14］。冷卻液介質(zhì)為50%乙二醇和50%水的混合液，為不可壓縮流體。冷卻介質(zhì)屬性為動(dòng)力黏度0.000 82 Pa·s，密度1 030 kg/m3，導(dǎo)熱率0.414 W/（m·K），比熱容3 536 J/（kg·K），湍流普朗特?cái)?shù)0.9。冷卻水套進(jìn)口邊界采用質(zhì)量流量入口，出口邊界設(shè)置為壓力出口，邊界值依據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得的冷卻水套流阻特性進(jìn)行設(shè)置；其余為壁面邊界，壁面采用Two-layer All Y+Wall Treatment模型。固體壁面邊界采用經(jīng)驗(yàn)值和缸內(nèi)燃燒平均值給定［15］。圖3和表1分別為缸內(nèi)燃燒室各熱邊界面示意圖及熱邊界的溫度、換熱系數(shù)參數(shù)。兩缸按相同方式進(jìn)行熱邊界區(qū)域劃分及參數(shù)設(shè)置。

表1 熱邊界參數(shù)設(shè)置

2 CFD計(jì)算結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行熱平衡實(shí)驗(yàn)，主要測(cè)量冷卻水套進(jìn)水壓力、出水壓力及對(duì)應(yīng)的溫度、流量等參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架熱平衡測(cè)試實(shí)驗(yàn)可以獲取的物理量及相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備為：①轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、油耗等發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工作狀態(tài)參數(shù)，測(cè)試設(shè)備為測(cè)功機(jī)系統(tǒng)；②發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)定轉(zhuǎn)速下的水泵出口處流量（水套入口流量），測(cè)試設(shè)備為流量計(jì)；③ 水套進(jìn)口壓力、出口壓力、進(jìn)口水溫、出口水溫，測(cè)試設(shè)備為壓力傳感器及溫度傳感器。整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，首先進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速9 000 r/min下的熱平衡實(shí)驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（流量、溫度及壓力）。然后，以500 r/min為間隔依次降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)下發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行10 min，記錄相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)，直到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速4 000 r/min相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)記錄完成后，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)束。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

利用實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)冷卻水套仿真模型進(jìn)行邊界賦值，即入口采用實(shí)測(cè)質(zhì)量流量值，出口采用實(shí)測(cè)出水壓力值，仿真計(jì)算出冷卻水套進(jìn)出水壓力差。圖4為實(shí)驗(yàn)測(cè)試及仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比曲線，仿真值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，最大誤差約5.9%，誤差在可接受的范圍之內(nèi)，表明本文中構(gòu)建的冷卻水套CFD計(jì)算模型可獲得可靠的預(yù)測(cè)結(jié)果。該發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)常用轉(zhuǎn)速區(qū)間為4 000～10 000 r/min，對(duì)應(yīng)的水套流量范圍在12～34 L/min。后續(xù)流場(chǎng)特性及傳熱分析中選取15 L/min和30 L/min進(jìn)行計(jì)算及分析，其中15 L/min為發(fā)動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)下的流量值，30 L/min為發(fā)動(dòng)機(jī)接近極限轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)下的流量值。2個(gè)工況點(diǎn)下冷卻水套的流場(chǎng)特性可反映出發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的冷卻特性。

2.2 流場(chǎng)特性分析

圖5 所示為水套入水到缸頭水套需要流經(jīng)的9個(gè)缸孔示意圖。圖6為計(jì)算工況30 L/min下各缸孔流速分布云圖，圖7為15、30 L/min各缸孔流量占比柱狀圖。

從圖6中可以看出：各上水孔平均流速在0.9～1.8 m/s。從圖7可以看出：兩個(gè)流量計(jì)算工況下，各缸孔的流量占比分布趨勢(shì)基本相同。缸孔流量分布中，缸孔1、缸孔2、缸孔3的流量占比最大，其余缸孔流量占比較小，可知缸孔1、缸孔2、缸孔3為缸體水套至缸頭水套的主要流動(dòng)區(qū)域，其他缸孔輔助缸頭水套的流動(dòng)。因此，后續(xù)主要分析缸孔1、2、3附件的冷卻液流動(dòng)細(xì)節(jié)。

圖8表示30 L/min流量工況下冷卻水套內(nèi)部流體流動(dòng)速度分布。從圖中可以看出：缸孔1的冷卻液流動(dòng)路徑為冷卻液從入口進(jìn)入后繞缸體水套一圈，冷卻完缸體后，再流經(jīng)缸孔1流向缸頭水套，冷卻缸頭進(jìn)氣側(cè)與輔助冷卻燃燒室中間區(qū)域；缸孔2冷卻液的來(lái)源為一部分直接從水套入口流入，主要冷卻缸頭燃燒室中間區(qū)域；另一部分則是從入口進(jìn)入后先繞缸體水套一圈冷卻缸體后的冷卻液再流入缸孔2；缸孔3的冷卻液則是由冷卻液直接從入口流入，用于冷卻缸頭排氣側(cè)區(qū)域，缸孔3的流速最大，流量占比最多；較多的冷卻液通過(guò)缸孔3流向排氣側(cè)區(qū)域，利于該排氣側(cè)區(qū)域的整體散熱。當(dāng)冷卻水套入口流量為30、15 L/min時(shí)，其整體表面平均流速分別為1.01、0.52 m/s，鼻梁區(qū)域表面平均流速分別為1.7、1.35 m/s，排氣側(cè)區(qū)域表面平均流速分別為1.2、1.05 m/s，滿足冷卻水套的最低流速設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（冷卻水套內(nèi)冷卻液整體平均流速不低于0.5 m/s，鼻梁區(qū)、排氣側(cè)區(qū)等熱負(fù)荷較高的區(qū)域內(nèi)冷卻液平均流速不低于1 m/s）。合理設(shè)計(jì)上水孔的大小和布置合適的位置可以高效利用冷卻液的冷卻散熱性能，達(dá)到冷卻水套整體流動(dòng)速度分布合理，減小各缸冷卻效果的差異，熱負(fù)荷較高的鼻梁區(qū)及燃燒室排氣側(cè)區(qū)域也能得到較好的冷卻。

圖9 表示30、15 L/min進(jìn)出口壓降大小。由圖9可以看出：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越大，對(duì)應(yīng)的水泵轉(zhuǎn)速越大，泵送入冷卻水套的冷卻液流量越大，對(duì)應(yīng)的壓降也越大。

2.3 傳熱特性分析

圖10 為不同流量下冷卻水套進(jìn)出口冷卻液溫差柱狀圖。冷卻水套入口流量從15 L/min增大到30 L/min時(shí)，水套出口冷卻液平均溫度下降2.45℃，下降幅度相對(duì)明顯。圖11為冷卻水套近壁面換熱系數(shù)分布云圖，冷卻水套鼻梁區(qū)與排氣側(cè)區(qū)域等高溫區(qū)，換熱系數(shù)分布較大，能更好地對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸頭、缸體起到散熱冷卻作用。

圖12 為不同流量下固體平均溫度，大流量下固體平均溫度略低。圖13中冷卻水套鼻梁區(qū)局部溫度分布較高，最高約130℃，而冷卻液的沸點(diǎn)約為120℃，存在局部沸騰現(xiàn)象。從溫度計(jì)算結(jié)果來(lái)看：在相同表面熱源下兩缸缸內(nèi)溫度分布基本一致，排氣側(cè)鼻梁區(qū)溫度最高，火花塞區(qū)域兩缸存在的溫差約為2℃，表明冷卻液對(duì)兩缸的散熱冷卻比較均勻。綜上可得：該水套設(shè)計(jì)合理，冷卻水套熱負(fù)荷較高的區(qū)域具有較大的流速和傳熱系數(shù)，利于該區(qū)域散熱，且兩缸溫差較小，散熱較均勻。

3 結(jié)論

利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套進(jìn)行了流動(dòng)與傳熱的流固共軛傳熱分析，得到了冷卻水套內(nèi)流場(chǎng)分布和傳熱特性。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。冷卻水套入口流量分別為30、15 L/min時(shí)，整體表面平均流速分別為1.01、0.52 m/s，滿足冷卻水套最低平均流速不低于0.5 m/s的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；熱負(fù)荷較高的區(qū)域具有較大的流速和傳熱系數(shù)，利于該區(qū)域散熱。在兩缸初始表面熱源相同的情況下，兩缸的溫度分布基本吻合，排氣側(cè)鼻梁區(qū)溫度最高，火花塞區(qū)域兩缸存在的溫差約為2℃，兩缸散熱較均勻?？傮w來(lái)看，冷卻水套設(shè)計(jì)合理，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷高的區(qū)域具有較好的冷卻效果。本研究可為冷卻水套樣機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)及冷卻性能優(yōu)化提升提供仿真數(shù)據(jù)及理論參考。后續(xù)將嘗試搭建集成全參數(shù)化數(shù)模構(gòu)建與計(jì)算仿真分析的研究模型，研究不同缸孔位置及尺寸對(duì)流動(dòng)及傳熱的影響，促使冷卻水套在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中具備最佳的冷卻性能。