周蕓夢 羅扉 劉功曉

摘要： 散熱性能優(yōu)良的冷卻系統(tǒng)對柴油機(jī)動(dòng)力性、可靠性的提升有著重要的影響[1]，為深入了解冷卻系統(tǒng)在冷卻過程中的具體細(xì)節(jié)，冷卻水套內(nèi)的流動(dòng)問題已是重要研究課題[2]，獨(dú)立對冷卻水套進(jìn)行研究不足以了解整個(gè)冷卻系統(tǒng)的匹配問題和冷卻能力，因此在原水套模型基礎(chǔ)上增添一個(gè)冷卻水泵模型，構(gòu)成水泵-水套聯(lián)合模型進(jìn)行分析。本文搭建某型柴油機(jī)水泵-水套聯(lián)合分析模型，采用多重參考模型（MRF）對其冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析。

Abstract： The cooling system with excellent heat dissipation performance has an important impact on the improvement of engine power and reliability. In order to deeply understand the specific details of the cooling system in the cooling process， the flow problem in the cooling water jacket has become an important research topic. Independent research on the cooling water jacket is not enough to understand the matching problem and cooling capacity of the whole cooling system， Therefore， a cooling water pump model is added to the raw water jacket model to form a water pump inlet model for analysis. In this paper， an analysis model of water pump inlet of a diesel engine is built， and its cooling system is analyzed by MRF calculation method.

關(guān)鍵詞： 冷卻系統(tǒng);水泵-水套;MRF

Key words： cooling system;water pump and water jacket;optimization design

中圖分類號：U464.138+.1??????????????????? ??????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A??????????????????? ???????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0048-02

0? 引言

對于以前的柴油機(jī)，采用的水泵葉片都是包圍在蝸殼內(nèi)，且水泵出口與水套的入口之間有一段規(guī)則的管路進(jìn)行連接，水泵的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對水套入口冷卻液流動(dòng)方向影響較小，所以一般水套CFD分析時(shí)不需要考慮水泵對分析結(jié)果的影響。但是隨著現(xiàn)代柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)越來越緊湊，水泵出口與發(fā)動(dòng)機(jī)水套入口的距離也在縮短。對于某些柴油機(jī)，水泵的蝸殼為缸體的一部分，水泵出口距離水套入口較近，水泵的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對水套入口的流場影響較大，因此，在對水套進(jìn)行CFD計(jì)算時(shí)，需要考慮水泵對水套的影響，加入水泵模型。

1? 模型搭建

本文研究的柴油機(jī)冷卻水套包括水泵、缸體水套、缸墊、缸蓋水套。該柴油機(jī)水泵葉片一側(cè)包圍在蝸殼內(nèi)，另一側(cè)直接嵌入柴油機(jī)缸體，且水泵出口與水套入口距離很近，并由一段不規(guī)則的扁平通道連接，具體幾何模型如圖1所示。

對水套模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用多面體網(wǎng)格，并添加邊界層網(wǎng)格，整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)約為300萬，計(jì)算網(wǎng)格模型如圖2所示。

2? 計(jì)算方法及邊界條件

MRF模型是一種定常計(jì)算模型，假定模型中的網(wǎng)格單元做勻速運(yùn)動(dòng)，這種方法對網(wǎng)格區(qū)域邊界上各點(diǎn)的相對運(yùn)動(dòng)基本相同的問題適用。MRF模型是將整個(gè)計(jì)算區(qū)域分成多個(gè)小子域，每個(gè)子域有著各自的運(yùn)動(dòng)方式，或靜止或旋轉(zhuǎn)，控制方程在每個(gè)子域內(nèi)分別進(jìn)行求解，再對不同旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)速度的各個(gè)區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)態(tài)近似，因此當(dāng)邊界上的流動(dòng)區(qū)域幾乎均勻混合時(shí)，這種方法比較適宜。大多數(shù)時(shí)均流動(dòng)都可以用MRF模型進(jìn)行計(jì)算，特別是在運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域與靜止網(wǎng)格區(qū)域間的相互作用比較微弱時(shí)可以使用MRF模型進(jìn)行計(jì)算[2]，因此，本文采用MRF模型對柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行CFD計(jì)算。

水泵進(jìn)口邊界處設(shè)置為速度進(jìn)口條件，根據(jù)該水泵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，冷卻水入口流速為271.3L/min;動(dòng)域葉輪與靜域泵腔之間相互重合的圓弧表面設(shè)為Interface面;壁面設(shè)為無滑移固壁條件，在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壁面粗糙度為40μm，湍流模型采用K-Epsilon Turbulence。具體邊界條件如表1所示。

3? CFD計(jì)算結(jié)果分析

對柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行CFD計(jì)算，計(jì)算穩(wěn)定后，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。對各缸進(jìn)口的冷卻液流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示，各缸缸體水套入口之間的分水量極不均勻，這可能是由于入口流量受水泵的影響所致。由于各缸水套之間是連通的，冷卻液可在缸體內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此各缸入口分水量的不均勻不能說明水套的冷卻效果不好，需要對關(guān)鍵部位進(jìn)一步分析。

對柴油機(jī)各缸上水孔的冷卻液流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示，各缸上水孔的冷卻液流量總和較為均勻，說明冷卻液在各缸之間進(jìn)行調(diào)整后，逐漸趨于均勻，需要對關(guān)鍵部位進(jìn)一步分析后，才能對冷卻性能進(jìn)行判斷。

高熱負(fù)荷區(qū)為油環(huán)在柴油機(jī)上止點(diǎn)的位置到火力面之間的區(qū)域，此區(qū)域受到的熱負(fù)荷較大，需要的冷卻能力也較大，此區(qū)域冷卻液流速的設(shè)計(jì)要求為大于1m/s。通過缸體高熱負(fù)荷區(qū)域切片速度云圖，發(fā)現(xiàn)第1缸水泵側(cè)以及第4缸進(jìn)氣側(cè)部分區(qū)域小于0.5m/s，但是通過對冷卻液流速的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，均值均大于1m/s，滿足設(shè)計(jì)要求，具體結(jié)果如圖3、表4所示。

對柴油機(jī)缸蓋下層水套進(jìn)行分析，CFD計(jì)算結(jié)果顯示進(jìn)排氣門間的過水流速均滿足要求，各部位的過水流速均大于目標(biāo)值，具體結(jié)果如圖4、表5所示。

4? 結(jié)論

①隨著現(xiàn)代柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)越來越緊湊，水泵出口與發(fā)動(dòng)機(jī)水套入口的距離也在縮短，為了得到更加準(zhǔn)確的模擬計(jì)算結(jié)果，須在柴油機(jī)冷卻水套CFD分析過程中考慮水泵的影響，并以此來分析和評價(jià)水套內(nèi)流場分布和冷卻能力。

②本文對某型柴油機(jī)水泵式入口冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，水套均勻性，高熱負(fù)荷區(qū)、下層水套等重點(diǎn)區(qū)域的冷卻液流速均滿足設(shè)計(jì)要求。

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