增压中冷柴油机缸盖水套cfd分析

1、 申立中雷基(理工大学交，云南：应用AVL，对增压中冷柴油机气缸盖冷却水套进行了三维 CFD 数值模拟，对冷却水及特征点 申立中雷基(理工大学交，云南：应用AVL，对增压中冷柴油机气缸盖冷却水套进行了三维 CFD 数值模拟，对冷却水及特征点的温度、压力试，为 CFD 计算提供了准确的边界条件测试。研究结果表明：气缸盖冷却水套中流和换热系数均能满足冷却要求，4 缸附近的流速相对于其他各缸要小 些；进入气缸盖冷却水套各缸的流量不均匀，主要是从 1 缸有大量的冷却水直接进入气缸盖，容易造成其它缸的冷却能结构需进 步优化处，该气缸盖 些局：柴油机；气缸盖；水套；CFD 分主：AVL 号: The th

2、ree-al CFD numerical simulation of the cooling water jacket about the super-er-cooled diesel engine is carried on with the AVL FIRE. The temperature and re on characteristic po s cooling water jacket in cylinder head and the mass flow of cooling water entrance are tested to provide accurate boundary

3、 condition for the CFD calculations. The results t the flow speed and the heat coefficientofcoolinghecylinderheadcansatisfythecoolingrequirement,theflowspeedsnearbyforthare nothers;the mass flowofthe fourcooling jacket areunequally, thereare massive coolingwater enter cylinder head directly which wi

4、ll lead to the other cylindersinsufficient cooling. So the further optimize sing requiredtothepartialstructuresofcylinderKeywords: Diesel engine, Cylinder head, Cooling water jacket, 1 前柴油机水套冷却液直接影响内燃机冷却效果、高温的热负荷、柴油机量分配以及能量利用，冷却液的温度还对排放有较显著的影响。随着柴油机增压等不同强的采用，有效地改善柴油机冷却循环系统已成为内燃机设计的重要内容1 - 4 本文以增压中冷四

5、缸柴油机的气缸盖为研究对象，设计了测量气缸盖冷却水套水量、温度、压力的试验方案，为 CFD 计算提供准确的边界条件，在此基础上建立了缸盖却水套的三模型，对冷却水的三维流场进行了计算与分析，评价了冷却水套设计的荷较大，本文针对柴油机标定功率点工况进行模拟计算2 FIRE 冷却水套分析的主要算 ，其中包括很多个模块。它采用最先进的流场中速度（u, v, w、 温度 T 服从一个通用的守恒原理。如果用 I通用控制方程可以表示为 ： div grad 热、质传递，流，湍流以及其相关现象的所有微分方程均可看成是通用控制方程可以表示为 ： div grad 热、质传递，流，湍流以及其相关现象的所有微分方程

6、均可看成是通用控制方界条件22 k- 传递、燃烧和两相流等多。k- 模型包括k 和 的输运方程。k 方程为 k f u ui i Lji C ku pui ij j j D式中 表示湍动L 是随时间变化的湍动能尺度C 是对流输运项P是k的产物（湍流，当Vj xj 0时，而uiuj 0，对于大多G 是k 基于体积力的产物 是由于粘性作用的 k 扩散（ 总是大于零D 是k 的扩散输运(分别是粘性项、速度脉动项和压力脉动项)3 建立气缸盖冷却水套的模柴油机气缸盖水套结构复杂，不规则曲面较多，因此对实体模型作了适当简化：略内圆角、倒角及螺栓搭子等次要细节；在缸盖水套下添加了简化的机体水套模型，以方便条

7、件的输入。使用 AVL FIRE 前处理网格划分模块 FAME 划分，并在缸垫区域对网格进行加密。柴油机冷却水套计算模型的总网格数约为 155 万。体水套网格如图 1 所示21 整体水套网3 初始条件及计算边界条考虑湍流的影响，采用 湍流模1 整体水套网3 初始条件及计算边界条考虑湍流的影响，采用 湍流模型模型，并假定流体不可压缩。气缸盖内冷却是在柴油机工况一定的情况下稳定的定边界条能为 1m2/s2，湍动能尺度为 1mm。2定任何物理量的梯度为 03在计算中采用了假定的壁面温度场，气缸盖平均温度为 120，缸体平均温度为 100由于 k-湍流模型只适用于离开壁面一定距离的湍流区域，因此对于壁

8、面附近的区域采壁面函数法来处理，本文计算采用标准壁面函数（Standard 该模型对贴近壁面的网格要求用 y 来反映，计算公式为 yC y式中，y 为贴近壁面的网格中心离壁面的距离，y为运动黏度 pas为密度kg m3气缸盖冷却水套的CFD 计算结果与分总体情11200 柴油机冷却水流场中的速度场、温度场和压力场等参数是相互联系、相互影响的。冷却水套的总体速度场、温度场、压力场分布以及换热系数分别由图 2、图 3、图 4 和图 3 2可以看出，气缸盖冷却水套1、2缸附近的流速较大，并且各个进水孔出现较为剧烈的速度波动，水套冷却水平均流速约为0.46m/s左右，鼻梁区的平均速度在0.85m/s从

9、图 3 水套温度场分布可以看出，柴油机气缸盖水套的入水来自缸体的上水孔，共20 个上水孔，气缸盖水套的出口位于缸盖的前端，在冷却水从后向的同时，每个的水套还有来自不同位置上水孔的冷却水加强气缸盖鼻梁区的冷却证各缸的冷却均匀性方式有利于气缸盖冷却水套的水温度要低于其他部位的温度，温度场还显示出排气侧温 图 4 气缸盖水套压力图 5 气缸盖排气道侧水套表面传热系数分 紧密的联系，可以看出传热系数的分布（5）与速度场的分布相似，1、2缸附近的值明显大于其他42 速度验，流速0.5m/s即可满足冷却要求，可见，排气道侧缸盖水套内冷却水流速明显高于进气道一侧46 气缸盖水套剖面的速度场分图 7 气缸盖斜

10、水孔内的速6 气缸盖水套剖面的速度场分图 7 气缸盖斜水孔内的速度分布及速度矢量气缸盖水套每缸在排气道侧采用了一个斜水孔，其出口正对着鼻梁区附近的水套，其的是利用冷却水的定来加强热负荷很高的鼻梁区的冷却。7 为斜水及出口速度分布和速度矢量图。从计算结果来看，来自斜水孔中的流速较高的冷却水加快了周围场，使该处的冷却得到了加强，实现了设计目的图 8 是气缸盖两气门之间区域内的速度分布。可见，因为气缸盖斜水孔正对着两气门均流速最大，而 4缸的平均流速最小。8 气缸盖两气门之间区域内的速度分 4.3 温度场分布及换9和10分别是气缸盖进气道侧和排气道侧的温度分布情况，由图中可以看出气缸盖水套中的温度分

11、布比较均匀。4缸附近的温度要略高于其他各缸，这主要是由于4缸附近另外，冷却水从缸体上水孔进入气缸盖后从底部流到上部的同时也在不断的吸收热量 5 气缸盖水套进水孔的流量分该气缸盖水套的水孔共计 20 个，其布置如图 11 所示 从图 12 可见各水孔的流速比较均匀，但是由于各个水孔的直径大小不一，所以各水的流量分布出现较大的差异性。由图13可知，排气道侧的水孔流量要比进气道侧水孔流量要大得多，其上水孔得流量占了总上水量的 52 气缸盖水套进水孔的流量分该气缸盖水套的水孔共计 20 个，其布置如图 11 所示 从图 12 可见各水孔的流速比较均匀，但是由于各个水孔的直径大小不一，所以各水的流量分布

12、出现较大的差异性。由图13可知，排气道侧的水孔流量要比进气道侧水孔流量要大得多，其上水孔得流量占了总上水量的 52，这对于排气道周围（包括鼻梁区）的的作用。而气缸之间的水孔的流量之和占总上水量的 19左右，并且却起到布比较均匀，这些对于气缸盖的均匀冷却是有利的。但是仍有大量的冷却水直接从 1 气缸盖，而冷却水出口在气缸盖前端，因此进入气缸盖的冷却水直接从出口流出其它缸的冷却能动。所以气缸盖冷却水出口的位置有必要改善以促进冷却水更好的3s/ 量0）2s（流01 2 3 4 5 6 7 8 910111213143 4 5 6 7 9 水孔2 3 4 5 6 7 8 9 5 水套设计改进意水套的设计是否合理将直接影响到高温零件的可靠性，影响的热量分配与能量用。高强化多缸柴油机，还应特别注意保持各缸冷却均匀。不仅关系到柴油机的动力性和进入 1 缸附近上水孔冷却水的流速及流量与其他各缸相比较大，且离气缸盖出口近，容易造成其它缸的冷却能，所以可对一缸附近的上水孔的尺寸作适当调整发整个冷却水套的出口位置对整个缸体水套的压力场分布具有较大的影响6分布。为了使各缸有更均匀的流量分布，可以为缸盖水套均匀布置多个冷却水出口6 结论利用AVL FIRE 通分布。为了使各缸有更均匀的流量分布，可以为缸盖水套均匀布置多个冷却水出口6 结论利用AVL FIRE 通过计算可以得出如下结论1 缸有大量的冷却水直