段敏，王俊文，张磊，闫鹏斌，魏薇

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121000）

某四缸柴油机冷却水套CFD分析

段敏，王俊文，张磊，闫鹏斌，魏薇

（辽宁工业大学汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121000）

应用CFD软件AVL-FIRE，对某四缸柴油机冷却水套进行三维数值模拟，得到了冷却水套的流场速率，压力损失、温度场及换热系数分布等基本流场信息。计算结果表明，冷却水套平均流速大于0.5m/s，总压降仅为21.4kPa，温度分布在350k～380k合理区间内，缸体前端的冷却液流速相对较低。该柴油机冷却水套结构基本能够满足设计要求。

柴油机；冷却水套；流场；CFD

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.01.024

CLC NO.:U473.1 Document Code:B Article ID:1671-7988(2016)01-69-03

前言

发动机冷却系统对于保证发动机正常工作非常重要。它的功用就是将缸体、缸套、缸盖和活塞等受热零件的热量散发出去。如果冷却系统出现故障，引起柴油发动机的温度过高，将会使缸内的进气量减少，燃烧品质恶化，导致发动机的功率下降；会严重影响金属材料的机械性能，出现变形、裂纹甚至断裂。因此，冷却系统的冷却性能直接影响着发动机的动力性、经济性等重要性能及正常运转［1］。

发动机冷却系统系统结构十分复杂，想要完成其精准的试验测试，将会有大笔的试验开销，也需要进行大量的试验次数。本文应用AVL-FIRE软件对某四缸柴油机冷却水套CFD计算分析，给出了整体水套流场速率、压力损失、温度分布，然后分析了缸体、缸盖的速度场和换热系数分布情况。通过这些参数来评价水套结构设计的合理性，为柴油机冷却水套结构的设计提出意见[2]。

1、计算模型与算法

1.1 计算模型

冷却水套的几何模型包括缸盖、缸体、缸垫、机油冷却器、节温器及水泵。本次计算用一个空腔来代替水泵，以达到不影响水套内流动情况的条件下简化模型的目的。首先，建立冷却水套流体域CAD（Pro/E）模型，模型以STL文件格式输出，再将文件导入到AVL-FIRE前处理模块FAME Hybrid中，而且对冷却液流动比较的剧烈的缸垫区域进行了加密处理。得到整体冷却水套网格数为2483886个，其中六面体网格数为2236133个，约占总网格数的90%，大量的六面体网格有利于提高计算的精度和效率。整体冷却水套CFD网格模型见图1。

图1 冷却水套CFD网格模型

1.2 控制方程的建立

流体的流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[3]。控制方程是这些守恒定律的数学描述，模拟计算的过程实际上就是求解控制方程的过程。上述各控制方程都可以用以下通用形式表示：

上式中，ρ为体积质量，kg/m3；φ是通用量，可以代表速度的3个分量u、v、w，温度T，湍流能（m2/s2）等求解变量；Γ为广义扩散系数，在质量守恒方程中为0，在动量守恒方程中代表动力粘度μ，单位Pa·s，在能量守恒方程中代表换热系数与比热容的比值，单位（kJ·W）/(Kg·K 2·m2)；S为广义源项，在质量守恒方程中为0，在动量守恒方程中单位为Pa/m，在能量守恒方程中单位是（kg·K）/(m3·s)。

1.3 求解器的设置

本次模拟计算选用稳态模式，采用应用广泛的Simple算法求解压力-速度耦合，动量方程采用二阶差分格式（MINMOD Relaxed）；连续性方程和湍流能方程采用中心差分格式（Central Differencing）；湍流、能量、标量方程的离散格式采用的都是上风格式（Upwind）；采用标准的k-ε湍流模型计算，以标准壁面函数(Standard Wall Function)处理来处理壁面附近区域；动量、压力、湍动能、湍动能耗散率、能量、质量原项、粘性、标量的松弛因子分别为：0.6、0.2、0.4、0.4、0.8、1、1、0.8。

2、边界条件及初始条件

（1）入口边界条件：给定冷却水套冷却液入口流量为3.0kg/s，入口湍动能设置为1m2/s2，湍动能尺度为0.001m，温度为363k。

（2）出口边界条件：主要出口给定任何物理量的梯度为零。EGR冷却器出口为流量出口，流量为0.65kg/s。

（3）壁面边界条件：在计算中采用假定的壁面温度，缸盖、缸体、机油冷却器、缸垫、节温器的温度分别为393k、373k、383k、373k、383k。

（4）计算初始条件：a）计算选用的冷却液是体积分数均为50%水乙二醇的混合液，密度为1000kg/m3，压力为100KPa，温度为363k，不可压缩的流体。b）计算域的初始值：压力为190KPa，密度为1 000kg/m3，温度为373K，湍动能为1m2/s2，湍动能尺度为0.001m，速度u=v=w=0，初始模式采用势流（Potential flow）模式。

3、计算结果分析

3.1 整体水套流场分析

经CFD计算，得出该柴油机冷却水套的整体速度场、压力场、温度场分别见图2，图3，图4。

图2 冷却水套速度场分布流线

由图2可以看出该柴油冷却水套的流动速率分布不均匀，水套总进口冷却液具有较高的压力，而各缸冷却液都要通过主要出口流出，这就造成了总进口和主要出口的高流速，其值高于2.0 m/s；机油冷却器内腔第一个分水口处也有高流速区域出现，这是由于流动截面变小加快了冷却液的流动速率。冷却水套在缸体后端设计有EGR冷却器出口的结构型式，造成缸体前端区域的冷却液流动死缓，流速低于0.2 m/s，缸体各进水孔处速度流线分布紊乱说明有较为剧烈的速度波动现象；根据AVL-FIRE软件的CFD计算经验，冷却液一般流速不得低于0.5m/s才能使冷却水套冷却强度达到要求［4］，该柴油机整体水套冷却液平均流速约为0.8m/s，证明是满足冷却要求的。

图3 冷却水套压力场分布

图4 冷却水套温度场分布

从图3看出，冷却水套整体压力分布均匀，缸体水套的压力高于缸盖水套的压力，其中，缸体水套平均压力约为114.1KPa，高压区域出现在冷却液总入口处，最高压力值大约为123.5 KPa，压力损失约为7.3 KPa，损失很小；缸盖水套平均压力约为97.6KPa，最低值出现在冷却液主要出口处，大概有73.6 KPa，压力损失约为1.1 KPa，压降也很小，；冷却液总进出口压力约为21.4Pa，符合冷却的要求。

从图4可看，整体冷却水套温度分布均匀，平均约为367k，结果相当合理。缸盖水套温度整体高于缸体水套温度，受高温的排放气体影响缸盖排气侧温度高于进气侧温度。高温部位主要出现在1缸缸盖水套排气道附近的局部突出区域，这与该处出现流动死区，换热系数过低有关。

3.2 缸体冷却水套流场分析

图5 缸体冷却水套速度场与换热系数分布

缸体水套平均流速约为0.4m/s，平均换热系数约为3863 W/(m2·K)，换热系数较低。缸体的流速和换热系数分布结果如图5a和图5b所示，冷却液流速大的区域换热系数较高，流速小的区域换热系数较低，其中，由于缸体后端开有一个GER冷却器出水口及后端的两个缸垫水孔直径较大，第3、4缸冷却水套流速与换热系数较大，具有较好的冷却效果；流动截面变小的分水孔和缸垫水孔冷却液流速很大，带走的热量较多，从而换热系数也较高。而缸体水套前端出现冷却液局部流动死区，流速很低，换热系数仅为2000 W/(m2·K)，所以整个缸体冷却水套的冷却均匀性较差。为了改善缸体前端换热系数较低的状况，建议在一缸前端位置开两个直径3mm的水流孔。

3.3 缸盖冷却水套流场分析

图6a和图6b可见，缸盖换热系数的分布与冷却液流速的大小相关，冷却液流速大的区域换热系数较高，流速小的区域换热系数较低，而且，缸盖的速度场与换热系数分布并不均匀。缸盖平均流速约为1.17 m/s，平均换热系数约为10203 W/(m2·K)，火力面平均流速大于1.50m/s，换热系数高于15000W/(m2·K)，因此，缸盖的冷却强度符合要求。一般离冷却液总入口位置越远，冷却液的流速和换热系数逐渐递减，冷却效果则越弱；由于冷却水套后端开有EGR冷却器出口及后端的两个缸垫水孔直径较大，缸盖水套后端的进气侧局部出现了流速及换热系数较高的区域。缸盖水套下部接近缸垫水孔的区域由于冷却液流速较大，随之换热系数较高。1缸缸盖水套的的上水位置离进水管入口较近且靠近冷却液主要出口，也有较大的流速及换热系数。

图6 缸盖冷却水套的速度场与换热系数分布

4、结论

（1）整体冷却水套平均流速约为0.8m/s，满足冷却要求。但冷却液总进口、主要出口和缸垫水孔处流速高于2.0 m/s；缸体水套底部和进排气道局部区域有漩涡出现，造成流动速度的不均匀。

（2）整体冷却水套的总进出口压力损失约为21.4KPa，符合要求，最低压力区域出现在流动截面变小的冷却液主要出口处。

（3）整体冷却水套的温度分布均匀，1缸缸盖水套排气道附近的局部突出区域温度相对较高，这与该处出现流动死区，换热系数过低有关，整体温度分布结果合理。

（4）缸盖水套整体冷却强度符合要求，特别是热负荷较大的火力面冷却强度较好。冷却液的流速和换热系数逐渐递减，冷却效果则越弱；缸盖水套后端的进气侧局部出现了流速及换热系数较高的区域。

[1] 周龙保,内燃机学[M].北京:机械工业出版社,1999.

[2] 裴梅香,刘斐，金则兵，宋宏利. 应用技术对汽油发动机冷却水套进行优化设计[J].上海汽车,2012,(6).

[3] 王福军等.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[4] 陈群.车用柴油机冷却水套的计算流体力学分析.[博士学位论文].长春:吉林大学,2003.

CFD Analysis on a Four Diesel Engine Cooling Water Jacket

Duan Min, Wang Junwen, Zhang Lei, Yan Pengbin, Wei Wei
（Liao Ning University of Technology Automobile and Traffic Academy, Liaoning Jinzhou 121000）

A3D numerical simulation is conducted on the cooling water jacket of a four diesel engine by CFD-AVL-FIRE. The flow field information is obtaine-d，such as flow field velocity，coolant pressure loss，temperature field and d-istribution of heat exchange coefficient and so on. The calculate result reveal-s that mean velocity in the cooling water jacket is higher than 0.5m/s，total pressure loss through water jacket is 21.4kPa，temperature distribution within the reasonable range of 350k～380k，and the cooling water velocity of part o-f cylinder block front-end is rather slow. The structure of jacket can generally satisfy the cooling requirement.

Diesel; Cooling water jacket; Flow field; CFD

U473.1

B

1671-7988(2016)01-69-03

王俊文，学术硕士，就读于辽宁工业大学。