某型发动机冷却水套换热性能分析

作者:安徽江淮汽车股份有限公司 陈亮 邱若友 文章来源:AI《汽车制造业》 点击数:22 发布时间:2017-01-10
本文利用一维、三维联合仿真方法进行水套换热性能的评估,首先根据某型发动机水套模型进行水套CFD分析,确定水套流阻数据;然后以该数据作为计算边界进行整车冷却系统分析,确定发动机水套各进出口流量;最后以流量为边界再次进行发动机水套的CFD分析,对发动机水套关键位置的冷却能力进行评估。
某型发动机冷却水套换热性能分析

发动机冷却水套作为发动机重要的组成部分,承担着发动机本体冷却的作用,因此在解决发动机冷却问题时,重点关注发动机水套的冷却,所以发动机冷却水套的设计合理性也就尤为重要。根据传统经验设计,一方面可能存在设计过量的问题,另一方面可能会设计不足,而且传统设计方法会耗费较长的时间。现在计算机辅助工程的应用可以在概念设计时期对发动机冷却水套进行设计,通过建立模型为水套设计提供思路。

文中利用三维AVL Fire软件和一维Flowmaster软件进行发动机水套CFD分析及整车冷却系统分析,通过CFD分析确定整车冷却系统分析边界,然后以冷却系统计算的发动机水套流量为边界进行发动机水套换热分析的研究,判断水套换热是否满足冷却系统换热需求。

发动机水套流阻计算

对水套进行流阻计算首先要进行水套模型的建模,该型发动机水套几何模型如图1所示,图1中标注出水套各进出口的位置。然后对水套几何模型进行处理,因水套几何模型中有许多较小的褶皱,这些特征不利于网格的划分,所以在前处理软件HyperMesh中对水套三维模型进行几何处理,水套流体网格的划分流程如图2所示。将处理好的几何模型进行面网格的划分,然后将面网格以Stl格式导入到AVL Fire软件中,并对水套进行流体网格的划分,处理好的流体网格如图2所示,网格数目为1 250 244个。

根据水套工作条件,计算中流体类型定义为50%的乙二醇混合溶液,冷却液为不可压缩稳态湍流流动,该混合液的物理属性如表1所示。

根据不同流量输入确定发动机水套的阻尼特性,依据水泵特性分别选取输入流量84 L/min、120 L/min、162 L/min、204 L/min和252 L/min作为计算边界,发动机水套流量输出口为散热器出水口、暖风系统取水口、EGR出水口和油冷器出水口。设置好初始条件、边界条件、材料类型、求解控制和输出控制之后进行CFD计算,计算结果中各个出水口的流量和压降的关系即为发动机水套阻尼特性。84 L/min流量下的水套相对压力分布云图如图3所示。

由发动机水套CFD分析结果可以得到不同流量所对应的压降,由流量和压降关系得到柴油机水套流阻特性(见图4)。

整车冷却系统计算

1.计算边界条件

进行整车冷却系统计算应先确定一维计算的边界条件,一维冷却系统计算边界条件主要包括4个部分:发动机水泵性能、发动机水套阻尼、冷却部件阻尼和管路阻尼。其中发动机水泵性能曲线如图5所示,发动机水套阻尼通过水套CFD分析计算得到,冷却部件阻尼通过冷却部件单体阻尼试验测得(见图6),管路阻尼通过一维建模确定管路的长度和粗糙度进行定义。

2.冷却系统一维计算

根据发动机冷却系统原理图建立整车一维冷却系统计算模型(见图7)。计算工况为发动机额定转速4 000 r/min工况,根据水泵性能曲线,计算中水泵转速为5 600 r/min,流量为220 L/min。对冷却系统进行一维计算,得到冷却系统各个支路流量分配情况,具体流量分配如图7所示。

根据冷却系统流量分配情况,确定发动机水套换热分析计算边界,如表2所示。

冷却水套换热分析

该型发动机冷却水套内部冷却液物理属性如表1所示,水套各进出口流量边界如表2所示,将计算边界进行输入,对水套进行CFD分析,判断水套缸体及缸盖关键区域换热系数是否满足要求。

图8为计算工况下水套的压力分布云图,可以看出水套进口压力高于水泵出口压力,且油冷器出水口压力与水泵进水口压力较为接近,水套进出口最大压力损失约为67 kPa,压力损失较小,水套内压力分布正常未出现压力突变区域,压力分布较均匀。

图9为缸盖水套换热系数云图,从计算结果可以看出缸盖一缸、二缸鼻梁区左侧部分换热系数均优于右侧,左侧换热系数能够满足14 000 W/m2.K的换热要求,但是一缸、二缸鼻梁区右侧换热系数约为8 000 W/m2.K。缸盖三缸、四缸鼻梁区换热系数较好,均满足14 000 W/m2.K的换热要求。

图10为缸盖流速在0~1m/s范围内的速度云图,从速度云图中可以看出冷却液通过缸体水套进入缸盖水套,并未沿鼻梁区左右两侧流动,而是倾向于沿左侧鼻梁区流动,造成右侧鼻梁区冷却液较少,进而换热系数偏小,并且一缸、二缸右侧鼻梁区存在冷却液的漩涡流动,这也影响了该位置处的冷却液的流动性,造成该位置处的换热系数比左侧鼻梁区小。

图11为缸体水套换热系数云图,从计算结果可以看出缸体一缸、二缸和三缸火力岸面的换热系数均满足5 700 W/m2.K换热要求,但四缸火力岸面换热系数偏小,特别是四缸水套进气侧换热系数约为2 000 W/m2.K,换热系数偏小。

图12为缸体水套流速在0~1 m/s范围内的速度云图,可以看出大量冷却液在四缸之前通过缸垫进入缸盖,导致流向四缸的冷却液较少,流向四缸冷却液偏少的原因主要是因为水套排气侧缸垫较大,所以水套换热系数改善的一个方向是重新设计水套缸垫水孔。

结语

本文主要利用三维、一维联合仿真方法对某型发动机水套换热系数进行评估,首先根据某型发动机初步设计水套进行CFD分析,计算得到水套各出口流阻特性;然后以水套流阻特性、各部件流阻特性和水泵性能曲线作为边界进行整车冷却系统一维分析,计算得到水套各个进出口的实际流量值;最后以该流量作为计算条件再次进行水套额定工况下的CFD分析,对缸体、缸盖水套关键位置处的换热系数进行评估,为发动机冷却水套设计提供了设计思路。