CFD模拟在发动机水套设计中的应用-图文

万方数据增刊姚炜:CFD模拟在发动机水套设计中的应用87掣+掣一去[(户+等去Ox]+a￡aziaz,L\r。盯。/,-J。c。。}(G+c拈Gb一c2￡lD等+SE(2口卢其中,G是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;Gb是由于浮力引起的湍动能k的产生项;yM代表可压湍流中脉动扩张的贡献;C。。、Q和C&为经验常数;以和口。分别是与湍动能k和耗散度￡对应的Prandtl数;St和S。是用户定义的源项;雎是湍动粘度,可以表示为k和e的函数。2计算域及边界条件2.1计算模型整个水套的计算域[5-11],如图1所示。图1发动机水套CFD模拟计算域发动机的水套通常由3部分组成:缸体水套、缸盖水套和缸垫水孑L。本次计算在Star-CD自带的网格划分软件Pro-AM中分别划分3个部分的网格,然后将3部分组装成为1个水套整体,总网格数约120×104个,其中85%为六面体,其余是四面体和棱柱等混合网格。缸体水套结构较简单,网格数约40×104个;缸盖水套结构复杂,网格较密,约80×104个。2.2边界及求解设置计算中,假设水套内的流动是定常的不可压缩流,冷却液采用纯水,流量边界来源于实际测量(如图1所示,水泵入口为147.6L/min,而散热器支路出口为117.6L/rain,暖风支路出口为23.7L/min,节气门支路为6.3L/min。求解的湍流模型则选用了上文所述的标准h湍流模型,且设定为离散格式为一阶迎风。3CFD分析及优化3.1CFD分析换热系数是评价水套散热能力的重要标准,根据AVL的设计经验,在采用纯水作为冷却液时缸体火力岸换热系数应在6000w/m2・K,而缸盖鼻梁区则应在20000W/m2・K左右,图2a所示显示了缸盖水套和缸体水套的换热系数,可以看出缸体和缸盖各有一换热系数较低、不能满足设计要求的部位,即区域1和区域2。(b图2原设计水套换热系数及局部流速示意图如图2b所示,局部流速过低是区域1和区域2换热系数不能满足设计要求的主要原因,因此必须提高2个部位的流速以改善换热系数。3.2结构优化缸垫水孔是控制水套内水流特征的重要手段,相对于缸体或缸盖水套的结构优化,水孔的调整更容易实施且成本较低,因此在水套的优化时首先要考虑通过缸垫水孔的调整来改善流动特性。对于图2所示的2个需要优化的区域可以做如下考虑:(1在原设计方案中区域l没有水孔,因此可以增加一个适当的缸垫水孔来增加水流,进而提高换热系数。(2区域2的两侧火力岸分别存在水孑LA、B、C,由于水孔的导向作用水流向上从缸体水套进入缸盖水套,而A、B2水孔的中间则形成一个相对的水流滞止区。如果去掉某一侧的水孔,则有利于水流通过该区域,从而提高换热。缸垫水孔优化前后的设计如图3所示,如图3a是优化前的水孔,图3b是优化后的设计,相对于原设计方案,优化后的缸垫去掉了水孔B而增加了一个水孔D。缸垫水孔优化后缸盖和缸体的换热系数及局部流速,如图4所示,从中可以看到随着局部流速的改善,区域1和区域2的换热系数已经能够满足AVL的设计要求,而其他部位的换热也没有万方数据88合肥工业大学学报(自然科学版第32卷虿型鬈竺:。垡哗恳乒。曼璺1和区域2换热系数4结束语及流速的对比,见表1所列。‘一“一,一水孔B/水孔A・1.’・’●水孔c水泵灭口【aJ,水孔R・・・・・三一(b图3缸垫水孔设计方塞对比图图4优化后水套换热系数及局部流速示意图表1优化前、后水套换热系数及流速对比本文利用CFD对发动机水套内的流场进行了模拟,并根据计算结果改进了水套的流动特性,优化后的水套散热能力相对于原方案有了较大程度的改善。通过本文的工作可以看出,CFD模拟能够在产品开发初期发现设计缺陷,并针对这些缺陷提出有针对性的、行之有效的解决方案,避免了后期设计变更的风险,降低了产品的开发费用。[参考文献]i-ll周龙保.内燃机学I-M].北京:机械T业出版社,1998.[2]蒋炎坤.CFD辅助发动机工程的理论与应用[M3.北京:科学出版社,2004.[3]莫乃榕.工程流体力学[M].武汉:华中科技大学出版社,2000.[4]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004.[5]陈小东,詹樟松.发动机冷却水套内三维流动的数值模拟研究[J].汽车技术,2004,(12:23—27.[6]张强,王志明.基于CFD的船用柴油机缸体水套设计[J].内燃机学报,2005,23(12:88—93.[7]张强,王志明.水平连铸圆结晶器冷却水套流场数值模拟[J].热加工工艺,2008,37(7:4—6.[8]蒋建飞.自然冷却系统内流场及其部件的三维数值模拟[D].武汉:华中科技大学能源与动力工程学院,2006.[9]刘晓丹.汽油机水套冷却液流动数值分析[D].长春:吉林大学汽车工程学院,2009.[10]赵大文.柴油机