基于RPI模型的内燃机冷却水腔内数值模拟分析

邢鹏

摘要：内燃机冷却水腔内数值模拟分析是优化冷却水系统、提高冷却效率的重要手段。结合RPI模型为基础，通过欧拉模型、沸腾气泡行为子模型、壁面沸腾传热模型、湍流模型等创建，及时进行试验研究，总结出内燃机冷却水腔数值波动情况，以此达到冷却系统优化的目的。

Abstract： Numerical simulation analysis of cooling water chamber of internal combustion engine is an important means to optimize cooling water system and improve cooling efficiency. Based on RPI model， Euler model， sub model of boiling bubble behavior， wall boiling heat transfer model and turbulence model were established. The numerical fluctuation of cooling water cavity of internal combustion engine was summarized to optimize the cooling system.

關键词：内燃机;冷却系统;湍流模型;欧拉模型

Key words： internal combustion engine;cooling system;turbulence model;euler model

中图分类号：TK124                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0062-02

0  引言

基于RPI模型的内燃机冷却水腔内数值模拟分析，主要对冷却系统在运行过程中，缸盖鼻梁区出现换热方式不当等问题加以解决，特别是内燃机冷却系统在新技术应用基础上，运行始终处于高负荷状态，这样一来就需要提高换热效率。但是在实际冷却中，因为受热零部件超长时间运行，热负荷变化明显，尤其是气缸盖以及活塞等部位，造成内燃机冷却系统出现异常，运行效率明显下降，甚至影响到内燃机运行安全。在这种情况下必须加大对内燃机冷却水腔内数值模拟分析，结合RPI模型，总结出更有效的处理与优化方案。

1  内燃机冷却水腔内数值模拟分析现状

内燃机作为工业生产的重要设备，内燃机运行冷却处理至关重要。内燃机冷却水腔内数值模拟分析一直是国内外学者研究的对象，特别是其中的内换热状态相关实验。针对内燃机鼻梁区以及活塞部件等方面频繁受到高热负荷的影响出现运行异常，董非，苑天林等对此进行核态沸腾研究，并且合理规划核态沸腾区域，为后续冷却处理明确方向[1]。内燃机运行中，缸盖受到水腔结构的影响，加上缸盖本身内部结构复杂，封闭处理特殊，单纯采用缸盖冷却水研究的方式对沸腾换热问题解决无法实现，并且消耗较高成本。基于此武志伟结合冷却水腔内沸腾换热影响展开模拟研究，利用CFD数值模拟的方式转换出Chen模型，除此之外还得出BDL模型[2]。陈雪飞，秦国良等人就BDL模型进行完善优化，很大程度上将计算精度提高[3]。模型优化中涉及大量半经验公式以及数据等，不断改善模型分析问题，打破分析局限，尤其是RPI两相流模型的应用，采取气泡成核密度以及分离直径等理论，准确分析两相流运行状态，通过流动状态的总结，对内燃机冷却水腔内数值模拟精确分析。根据两相流沸腾研究，对其中气泡形状加以计算，对两相流分布有效统计，科学改善内燃机冷却问题。

2  创建内燃机冷却水腔内沸腾传热数学模型

内燃机冷却水腔内数值分析中，必须及时创建沸腾传热数学模型，具体涉及到欧拉模型、壁面沸腾传热模型、沸腾气泡行为子模型、湍流模型等。

2.1 欧拉模型分析  基于内燃机冷却问题剖析，积极创建欧拉模型，并且根据能量方程，找到其中的连续性。其中连续性方程（1），动量方程（2），能量方程（3）。

此次计算中，涉及到速度矢量vq;相同条件下冷却系统的质量转移pq、qp;壁面耗散力以及浮升力Fwl，q、FliFt，q;虚拟质量力与外部体积力Fvm，q、Fq;质量源相与应力应变张量Sq、q;湍流离散力与压力、热通量Ftd，q、p、qq;原项与相间焓、比定压热熔Sq、Qpq=-Qqp、hq;相间热交换强度Qpq。

2.2 沸腾气泡行为子模型分析  通过对内燃机冷却系统的研究，配合欧拉模型，积极研究沸腾气泡行为子模型，其中涉及到脱离直径、密度、脱离频率、等待时间等元素。其中气泡脱离直径模型的创建，主要选择Tolubinsky研究所得的公式（4）。

计算公式中主要涉及到气泡的参考直径d0，取值0.0006m，同时还需要掌握饱和温度，由此得出气泡的脱离直径。

气泡成核密度模型涉及到的公式（5），主要涉及到两个数值，n=1.805，m=210。因为其属于经验关联式，所以在具体应用中还要参考内燃机冷却具体情况。脱离频率模型公式为（6），涉及到液相密度、气相密度，具体为pl，pg，单位为kg/m3。

除此之外还涉及到气泡等待时间的模型设计，主要选择Kurl推荐公式（7）。

2.3 壁面沸腾传热模型分析  对于壁面沸腾传热模型的创建，由RPI模型衍生而来，基本理论主要参照Judd等的研究。结合内燃机冷却系统运行中，流道受到温度变化影响，壁面会不定期出现沸腾现象，这期间便需要计算总热通量Qw，涉及到的计算条件主要包括蒸发项热通量，由Qe表示，流项热通量，由Qc表示，激冷项热通量，由Qq表示。具体计算关系见式（8）、式（9）、式（10）、式（11）。

计算公式中，作为计算必备条件，必然会涉及到液相比热容Cpl，无量纲温度T，气相成核密度n”，液相密度ρl，常数FA，无量纲距离Y+，液相温度Tl取值为250，气泡脱离频率f，气泡脱离直径dw，气泡等待时间tw，液相汽化替热hlg，气泡分离接触分度Tquench。

2.4 湍流模型分析  基于RPI模型的内燃机冷却水腔内数值模拟分析中，湍流模型分析主要因为内燃机运行期间，冷却系统的水腔位置热负荷较大，本身冷却道设计便比较繁琐，一旦冷却系统运行速度流速加快的情况，整个系统就会处于湍流状态，这种情况就会影响到腔内数值变化，因此必须创建湍流模型。以Realizable k-ε为基础，得到内燃机冷却系统的湍流能k湍流耗散率ε，具体公式为式（12）、式（13）。

计算公式中，为了满足计算要求，涉及到冷却系统的浮力以及平均流速下冷却运行湍流能，分别为Gb、Gk，还涉及到源项Sk、Sg，常数Cg3，液相动力粘度为μ。在此基础上还包含如下数值：σg=1.3、σk=1.0、μt=ρlCt、Cμ=0.09。

其中湍动能计算，公式为kd=Ck，湍流年度计算则需要根据方程（14）。

3  内燃机冷却水腔内数值模拟试验计算

内燃机冷却水腔内数值模拟试验计算，首先试验对象为冷却系统的缸盖，及时创建温度场模型，选择最常用的增压水冷四缸柴油机类型，在初始状态下对缸盖玩电脑读测量记录，随后在沸腾传热情况下进行仿真处理与计算，具体结构、性能等参数详见表1。

仿真试验中，结合柴油机具体情况设置硬度塞测温点，数量为20个，按照1-20进行编号，并且绘制局部实物图。根据数值模拟要求，设计冷却流道网格以及缸盖模型，以STAR CCM+几何模型为参考，要求网格尺寸必须控制到4mm，并且边界厚度设定在1.2mm。因为内燃机冷却腔内道复杂，所以设计网络数量基数较大，约83.5万个。利用计算软件设定模拟分析系数，并且绘制传热系数曲线，统计瞬时温度变化，由此推断出柴油机运行情况，同时还能够了解热边界变化，及时对模拟结果进行分析，计算出平均环境温度与平均传热系数。根据统计数值生成气泡分布云图、冷却水腔内流线分布云图。及时对在内燃机冷却系统进行优化处理，提高冷却效率。其中内燃机冷却系统中的缸盖模拟数值计算，结合水腔壁面体积数值生成云图，发现缸盖的主要换热方式为对流换热，虽然会出现局部沸腾换热情况，则主要集中在高温区域。因为换热期间会出现大量气泡，这些气泡受到缸盖结构的影响会附着在壁面位置，试验研究中的缸盖气道，气泡最密集区域为气道鼻梁位置，密集度达到27.7%。结合这种情况制定流动环境改善的方案，改善气泡聚集情况，防止因为换热恶化导致缸盖气泡出现膜态沸腾现象，进而导致缸盖出现裂痕。通过对冷却水腔内流线云图结构分析，发现气道鼻梁位置因为结构原因，截面积相对来讲比较大，所以流量比较充足，并且监测平均流速发现能够达到2m/s。可是在实际流动中，因为紧邻排气道，加上预热塞对鼻梁区所造成的影响，限制了水腔壁面的流动速度，导致壁面的曲率出现异常，冷却液流动遇到死区。针对这种现象必须及时对几何结构进行调整，调整冷却液平均流速，保证制冷系统的正常运行。及时对比试验中的温度与流动数值，特别是缸盖的鼻梁位置，作为测量的重点区域，频繁出现冷却液流动异常情况，因此，需要定期对相关数值进行计算比较，利用仿真实验的方式，总结出有效的改善措施，將计算误差降到最小，提高内燃机冷却系统运行稳定性，并且保证冷却系统数据统计精度。

4  结束语

综上所述，结合内燃机冷却系统腔内数值模拟分析，选择出最适合的冷沸腾换热模型，并且进行模拟数值分析，计算出冷却系统优化相关数值，严格控制模拟计算误差。冷沸腾换热模型对缸盖温度控制效果理想，并且为内燃机冷却系统优化提供准确参考。

参考文献：

[1]董非，苑天林，武志伟，等.基于RPI模型的内燃机冷却水腔内数值模拟研究[J].化工学报，2019，070（S2）：250-257.

[2]武志伟.冷却介质对内燃机冷却水腔内沸腾换热影响的模拟研究[D].2020.

[3]陈雪飞，秦国良，贾诚，等.基于气腔模型和节流阀模型的离心压缩机喘振数值研究（英文）[J].风机技术，2019（5）.