关键词：柴油机；冷却水套；计算流体动力学；有限元分析；
为了快速设计柴油机冷却水套，采用建模与仿真相结合的方法，建立了柴油机样机冷却水套模型。进行CFD仿真计算，通过对计算结果的分析，评估整个冷却系统的冷却效果，发现原机冷却水套存在的问题。针对存在的问题，提出了改进方案，并对改进后的模型进行了计算分析。
一、试验样机冷却水套模型建立
1.模型的建立。利用某型号柴油机进行试验分析，该样机采用增压中冷进气方式，直列式六缸，尺寸为936 mm×777 mm×985 mm.运用三维绘图软件CATIA进行冷却水套的参数化建模，大致分为缸体水套和气缸盖水套，由于整体柴油机水套模型结构错综复杂，建立模型除重点区域（如气缸盖底部鼻梁区，进排气道周围关键区）细化外，其余非重点区做简化处理。
2.网格划分。对柴油机冷却水套模型进行网格划分，采用非结构网格，其对模型整体适应性好.将已经建立好的CATIA模型以model格式导入ICEM进行网格划分，将气缸盖和缸体水套分开，作为两个整体分别划分，以减小计算的负荷加快整体进程，为使整体网格质量提高，局部区域需要网格细化.边界层划分有棱柱网格，保证流场试验结果的准确性；缸套中靠近气缸壁部分网格影响换热系数的准确性，需要细化，另外缸盖与缸体之间连接的上水孔也需要细化网格。
3.边界条件及初始求解参数设置。计算模拟过程采用湍流模型为标准k-ε模型，近壁面区域使用标准壁面函数.运用有限体积法对计算区域流体进行离散，采用计算精度较高的二阶离散方法对方程进行离散，采用应用较为广泛的SIMPLE算法求解离散方程，冷却介质为水，根据试验测量以及前人经验对模型的边界和初始值的设定，其设定为：冷却水套入口为速度进口，流体速度3.679 1 m/s，温度75℃；缸盖出水口为压力出口，出口静压为1.92×10 5 Pa；缸盖处壁面设置为无滑移，温度120℃。
二、原机冷却系统分析
1.缸盖冷却水流速分析。在自缸体上水孔到达缸盖底部，由于截面积突然增大、压力升高，使得缸盖底部冷却液流速降低，个别区域产生了涡流；相邻两个上水孔的冷却水在缸盖底部合流，但是因为流速以及流向存在部分差异而造成局部冲撞，形成漩涡；在进、排气道相对一侧在设计之初没有作为重点冷却区域考虑，设置的上水孔相邻之间距离较远，从而造成缸盖底部连接上水孔之间形成了流动缓慢显现，三、四缸处最为明显。
2.缸体冷却水流速分析。在进水道各缸分水口处、缸盖上水通道交叉口以及上水通道中有较为严重的涡流存在，主要原因在于这些区域中截面积变化较大，冷却液流动过程中压力梯度变化较大，使得壁面附近冷却水流速骤降，在冷却水内部黏性力的作用下形成湍流流动，造成涡流的出现。
3.原样机冷却水套存在问题。进水道内，进入缸体水套下端冷却水湍流流动严重，进入水腔的冷却水与在水腔内横向流动的冷却水发生冲撞，影响各缸冷却水均匀分布；缸盖鼻梁区冷却水流速低，不能达到应有的冷却效果；缸盖内连接上下部分的通水孔半径小，使得冷却水在缸盖下部到达上部过程中压力损失增加。
三、水套改进方案
通过之前对原有试验样机水套的分析，结合以往的理论数据和试验经验针对原有试验样机水套存在的一些问题，提出以下改进措施：（1）针对试验样机缸体水套中进水通道中由于上水腔的影响使得进水通道中产生大量涡流的问题，在进水通道内表面开设半径为5 mm的原型导流槽，以减小上水道与进水道之间的影响。（2）为提高缸体水腔内冷却水分布的均匀性，在保证机体刚度的情况下，将缸体水套沿缸径中心线方向伸长20 mm，促进冷却水横流。（3）针对四缸、五缸处缸盖中冷却水流动速度慢、压力大的问题，在连接水孔之间增设一个内径为11 mm的连接水孔。（4）针对缸盖鼻梁区冷却水流速不合乎要求的问题，改进措施为将通往喷油器周围水腔的四个水孔端下沉1 mm，并作光顺处理，减少四股冷却水由此处合流时相互冲击，提高鼻梁区冷却水的流速。
四、改进模型与原模型计算结果对比
1.冷却水流动均匀性对比分析。原机型与改进后模型的整体冷却水套的压力
分布见图1、图2，由缸体冷却水套的压力分布情况可以看出，改进后的设计模型各缸之间的压力分布相比改进前均匀很多，也为冷却水在进水通道向各缸均匀分水提供了保证.对比原模型，改进后模型的很大程度上均衡了各缸的压力，尤其是四到六缸的压力分部，缸体与缸盖之间压差缩小且两侧分布均匀，改进后的整体水套压力损失为32.7 kPa。
图1改进前整体水套压力分布
图2改进后整体水套压力分布
2.冷却水流速对比分析。针对原模型出现的问题经修改所得的三流流场速度矢量图，存在问题已得到进一步改善.可以看到通过对原模型缸体水套存在问题的改进，原模型中进水通道出现涡流、各缸冷却水量分布不均匀以及上水通道中出现漩涡等问题已得到缓解。
3.近壁面换热系数对比分析。改进后试验样机冷却水套与原模型近壁面处换热系数分布对比分析图见图3，
图3近壁面处换热系数对比分析
一般工程上要求换热系数平均达到6 000 W·m-2·K-1以上才能较好地满足冷却要求.改进后的冷却水套的换热能力有所提高，缸盖内水套附近壁面平均换热系数能达到7 958 W·m-2·K-1，满足要求；由图中对比可以看出改进后模型缸盖换热系数分布有所增强，尤其是四缸处换热系数，由于冷水流动速度分布决定换热系数的分布，缸盖上部换热系数分布与速度都呈现由中间到缸盖两边逐渐增加，平均换热系数达到7000 W·m-2·K-1以上，满足要求；缸套处近壁面平均换热系数为583.02 W·m-2·K-1且分布均匀，满足要求.由图中对比可以看出改进后模型缸盖换热系数分布有所增强，尤其是四缸处换热系数，由于冷却水流动速度分布决定换热系数的分布，缸盖上部换热系数分布与速度都呈现由中间到缸盖两边逐渐增加，平均换热系数达到7000W·m-2·K-1以上，相对改进前有所提高，主要是因为通过对柴油机水套进行结构优化后，压力损失减小，冷却水流速增加，换热性能提高.改进后四缸冷却水流速增大，随之换热系数提高，通过对比分析看出改进后缸盖鼻梁区换热系数以满足工程实际的相关标准，相比缸盖而言改进后缸套处冷却性能较好，缸套进水通道进口处换热系数大，主要原因在于由进水道通往缸体水腔的连接处水道截面积有所减小，使冷却水流速增加所致，对于此处换热系数分布略显不足。
总之，通过对计算结果的对比，可以清楚地看到，各缸冷却水流量分布的均匀性相比原模型有了很大的提高；冷却水流量控制得到完善；冷却水套换热面温度分布满足要求。
参考文献：
[1]张群.浅谈柴油机冷却水套的优化设计方法.2018.
[2]陈海平.车用柴油机冷却水套的计算流体力学分析.2017.
论文作者:倪小明
论文发表刊物:《中国电业》2019年15期
论文发表时间:2019/11/20
标签：冷却水论文; 系数论文; 模型论文; 缸体论文; 换热论文; 流速论文; 柴油机论文; 《中国电业》2019年15期论文;