内燃机车冷却水系统流阻匹配分析

杨帆 谢经广 高科伟 张洪磊

摘要：为满足新型低油耗低排放大功率柴油机的冷却、降低机车辅助功率、缩小冷却装置空间、减少辅助系统重量的要求，公司研发了新型冷却水循环系统，该系统成败的重要因素之一就是各大部件流阻匹配是否合理。本文针对此项关键技术，对某型内燃机车冷却系统进行三维流体仿真分析，获得系统流阻匹配性能，根据分析结果对原系统性能进行优化，使得系统流阻匹配性能良好，并与试验数据进行对比，结果较为吻合，为新型冷却系统的研发提供有力支撑。

关键词：冷却系统;流阻匹配;仿真分析;优化设计

1  问题的提出

大功率节能减排柴油机的研发，对传统的冷却模式[1]提出了新的要求，机油冷却能力是设计的瓶颈。考虑到机车空间及整车重量限制，公司研发了一套新型冷却系统[2]。

新的冷却系统，除了满足系统的冷却要求，还应考虑到散热器的寿命及运用可靠性。该机车冷却系统分为高温系统和低温系统。低温系统采用中冷器和机油热交换器并列布置，由于二者散热要求及冷却性能不同，所需的流量也不同，水泵确定的前提下，中冷器、机油热交换器、散热器三者的流量分配是低温系统设计成败的关键。高温系统在水泵确定的前提下，柴油机散热需求和散热器散热性能及寿命是否同时满足是高温系统设计成败的关键。

由于该系统是全新设计的，缺乏试验数据，为缩短研发周期、节约开发成本并提高设计的准确度，在大部件选型及管路设计过程中，用三维仿真软件进行流场分析，较系统地计算各部件、管路的流量分配。

2  边界条件及求解方法

本文系统大部件设计流量见表1。

本文分析对象为不可压缩流体，对连续方程及N-S方程进行求解，选择Realizable k-ε湍流模型，标准壁面函数。数值通量用二阶迎风格式，守恒变量用隐式方法计算。

3  高温系统大部件分析

3.1 高温水泵

水泵为冷却系统介质循环流动的动力源，其性能曲线对发动机冷却系统散热性能起到非常关键的作用。

通过CFD仿真技术，对该离心水泵进行数值仿真分析建模、求解、后处理等过程获得该水泵在额定工况下的性能参数。水泵几何模型、网格、压力及速度分布如图1（a）-（d）所示。高温水泵扬程曲线如图1（e）所示。

3.2 柴油机水套

为保证柴油机能够经济稳定的工作，各部件要维持一定的温度。冷却水套是柴油机散热的关键部件，其流动阻力及各缸的冷却水分配性能是柴油机冷却系统设计的关键技术问题。水套分析过程如图2所示。

3.3 高温散热器

热交换设备的性能是冷却系统的核心，高温系统承担热交换的部件为高温散热器，散热器几何模型、网格、压力及速度分布如图3所示。分析结果表明，散热器内部流体分布均匀。

低温系统大部件计算过程同高温系统，这里不再赘述。

4  系统流阻匹配优化分析与试验对比

根据对水泵性能及系统的整体分析发现，由于该系统阻力偏小，使得水泵工作点偏离额定工况，需对系统作优化。

综合考虑系统冷却性能及各大部件运用情况，决定不改变大部件，仅优化管路。优化有两种方案：

第一，在管路中设置节流阀;

第二，在管路合适位置增加节流孔板。

上述兩种方案效果类似，但在成本上，后者占有明显的优势，所以选择后者。

优化前后管路流线如图4所示。

优化前后系统仿真结果与试验结果见表2，由表中数据可知，仿真与试验结果吻合较好。装有新型冷却系统的内燃机车在新疆鄯善进行了铁道科学院组织的高温冷却能力试验，并顺利通过了试验考核，为该型机车的鉴定及早日批产打下了坚实的基础。

5  技术展望

本文对某机车冷却系统重要部件及系统管路进行了三维仿真分析，与以往的经验设计相结合，为大部件选型及冷却系统的优化设计提供充分依据。

随着计算机的发展，可将整个系统作为一个研究对象，将流阻及散热进行全三维仿真，进一步提高设计准确度和精度，为成功研发出高效、节能、环保的内燃机车作贡献。

参考文献：

[1]戚墅堰机车车辆厂.东风8B型内燃机车[M].北京：中国铁道出版社，1997.

[2]张少元.内燃机车新型冷却模式的研究与实践[J].铁道机车与动车，2014.