发动机缸体冷却水套的CFD分析与优化设计探析

张旭 李红政 关帅

摘 要：现阶段，借助于软件对四缸汽油发动机械的冷却水套开展数值的模拟，经由分析模拟的结果，发现该款发动机的缸体冷却水套在设计过程中的确存有明显的缺陷，进而提出了一套缸体冷却的优化策略，并对这一优化的方案开展数值化模拟，结果显示，优化后缸体的冷却的实际效果有了一定程度的提高。本文运用CFD分析缸体冷却水套的全过程，进而不断地优化发动机缸体的水套结构，保障发动机具备相对理想的机内冷却条件。

关键词：CFD；发动机；缸体；冷却水套；优化方案

就当前来讲，发动机开发过程中需用到冷却水套的CFD分析这一计算途径，运用这一计算技术哟助于确保发动机设备在热负荷比较高的排气管道周边拥有相对理想的冷却液循环流动，而产生较少的压力损失。本文在概念设计时期借助于CFD分析发动机械缸体的冷却水套，通过建立模型等提出进一步的优化设计方案。

1.建立模型的方法

1.1.分清算法及各类边界条件

一般情况下，冷却液需选择50%的乙二醇及50%的水制成混合液，运用处于稳定状态下的计算模式，在模拟计算时，应设冷却液在水套内部为绝热的流动状体，不容压的粘性流动，计算时运用有限的体积法将计算区域分成散乱化的管理体积网格，在每个管理体积上积分管理方程，产生变量计算的数学方程，在模拟计算时，需求出持续性的方程、能量守恒的方程以及动量方程等。

通常要满足下列三项条件：首先，在出口边界，应符合压力出口的边界条件，大气压充当出口压力；其次，入口边界的进口速率可依照缸体冷却水套的冷却液入口位置的实际流量以及入口处的面积计算得到，进口的速率通常为2.5m/s；壁面的边界上，壁面需运用防滑移固壁，也就是说，固体外表上流体速率为零。

1.2.构建网络模型及几何模型

在本次研究中，运用北京现代α1.6型汽油发动机械缸体的冷却水套作为直接探究的对象，几何模型通过三维CAD系统软件加以确立。毋庸置疑，模型的建立是一个相对繁琐的过程，在开展仿真计算时会耗费大量的时长，在保证不影响模拟结果的基础上，对模型开展一系列简易化的处置办法。

几何模型的创建需经UG系统以输出STP格式的图形格式进行制作，接着用固定的网格生成系统划分缸体冷却水套的网格，冷却水套的外表网格可定为三角形状，流动的区域愚弄四面体的网格加以区分，冷却水套整体运用非结构化的网格，在临近冷却水套壁面的区域周边，运用四面体的网格单元，以便于合乎相对繁琐的三维空间区域，在这期间，可对冷却水套的流动参数的变化明显的部位加以适度的网格加密限制。

2.流动仿真的模拟化结果

2.1.缸体冷却水套外侧面的矢量

冷却液在进入发动机械的缸体冷却水套之后，因先前受水泵叶轮旋转作用等要素的制约和影响，冷却液的流动并非呈现单线的形态，在缸体冷却水套的首缸外壁面部位的冷却液未能彻底地沿缸体产生横向的流动，而是在起先阶段流到缸体下底面，接着经缸体的下底面流动到缸体的上方一侧，不难发现，冷却液在水套的首个缸外壁面的位置出现了漩涡的情形，这样一来，直接造成首缸体冷却水套的一些流动的阻力增加剧烈，冷却液在冷却水套的外壁面流动速率每况愈下，直接降低了自身的冷却效果。

2.2.缸体冷却水套的气温

发动机缸体的冷却水套，其气温的分布并非均匀不变的，冷却水套的排气一侧的气温通常要超过进气一侧的气温，另外，由于缸体冷却水套在第四个缸部位的冷却液流动速度相对较低，直接致使第四个缸体冷却水套内部的气温高于另外的每个缸。

2.3.缸体冷却水套顶平面及底平面的速度

一般情况下，缸体水套的上顶部，冷却液的流动速率相对迅速，平均的流动速率可达到1.2m/s.，在第四缸的右端，流动速率始终未降到零，仅在排气一侧有较少流动速率<0.2m/s的位置。

冷却液在缸体冷却水套的下底部流动速率较为迟缓，平均流动的速率仅为0.7m/s，在第四缸的右端部位，流动速率一度下降到零，同时，冷却液在进气一侧的流动速率均稍高于排气一侧。综合对比，不难发现，发动机械设备的缸体冷却水套，其上顶部的冷却液具体的流动速率要高于水套下底部的速率。

3.优化方案的对比

3.1.优化方案

通过以上模型分析结果可知，冷却液在冷却水套的首缸体外壁面的部位出现了漩涡状况，直接造成缸体冷却的水套内部，冷却液的流动阻力呈现增加的态势，流动速率得以下降，给首缸体冷却水套外壁面的冷却任务产生了负面影响。另外，在第四个缸部位，显著出现了较低的冷却液流动速率的位置，造成冷却水套的第四个缸部位个别区域热负荷的增加，这便需不断地改进优化设计发难，以便于整体提升冷却的效果，方案如下：

首先，可将冷却水套的冷却液入口方位下降15mm，采用使冷却液入口下降的方案避免首缸水套外壁面出现严重的漩涡现象，使冷却液在首个缸冷却水套的外壁面的位置处呈现单线的流动状态。其次，调整冷却液水孔的具体结构，在冷却水套的排气一侧的4个圆形处的小孔部位，其冷却液的流量相对较小，不但未能增加排气一侧冷却液的上水量，还使冷却水套排气一侧另外部位上的水孔冷却液的实际量降低，所以，要将其去除。在这期间，为有效地增加首缸排气一侧方位处的水孔冷却液量，可把起先用到的首个缸体冷却水套进气一侧的26号上水孔予以去除，进而完成整个方案的优化

3.2.同原结构的分析比较

经同原结构加以比较可知，冷却液的流动速率略微增加，冷却水套上顶部冷却液的流动速率也有相应的增加，这对于改善冷却效果是大有裨益的。

结语：

综上所述，发动机械缸体冷却水套内部的冷却液流动需合乎冷却的规范，然而，也暴露一些缺陷，需通过设计方案的不断优化，增强提升冷却液的流动速率，达到增强冷却效果的目标。

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