发动机缸体冷却水套的CFD分析与优化设计的研究

王勋

摘要：在本文的分析过程中，主要采用FLUENT软件，对某国产的四缸汽油发动机当中的缸体冷却水套进行相应的研究，以此建立出数值模拟的研究体系。通过对模拟数值的相关研究，可以有效的对现阶段发动机缸体冷却水套的不足进行优化处理，进而能够在使用的过程中，有着较高的使用性能。同时也是充分保障在未来的设计过程中，有着较高的结构稳定性。

Abstract： In the analysis process of this paper， FLUENT software was mainly used to conduct corresponding research on the cylinder cooling jacket of a domestic four-cylinder gasoline engine， so as to establish the research system of numerical simulation. Through the relevant research of simulation value， the shortage of cooling water jacket of engine cylinder block can be effectively optimized at present， so as to have a higher performance in the process of use. At the same time， it also fully guarantees the high structural stability in the future design process.

关键词：发动机;冷却水套;数值模拟;几何模型

Key words： engine;cooling water jacket;numerical simulation;the geometric model

中图分类号：TK414.23                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0022-02

0  引言

对于现阶段所使用的发动机冷却水套而言，在设计的过程中往往存在着一定的不足之处，因此需要针对出现的问题，进行发动机缸体冷却水套，在结构方面进行相应的优化，例如可以通过数值模拟的方式，进行相应的结构性优化和改进，从而在对其日后的深入研究中，提供可靠的数据参考。

1  研究背景

在发动机冷却系统运行的过程，冷却水套一直都是重要的组成部分，一个良好合理的发动机冷却水套，可以依赖结构的优势，在高温区域进行高效率的冷却液流动，以此实现了良好的传热作用。这样就会让这些高热区域，有着较低的热负荷。在发动机运行的过程中，只有不会出现较高的温度，才可以进一步的保障发动机能够有着较高的可靠性和稳定性。现阶段，人们普遍采用对流体力学方面的计算分析，能够很好的解决涉及到三维流动方面的问题。在过去的研究分析中，需要采用大量的试验，形成流动信息数据，这样便可以通过相关软件，进行模拟计算分析。同时加上CFD技术的使用，可以很好的对发动机冷却水套性能进行分析，进而帮助相关研究人员，能够省下大量的时间和精力，保障可以从理论方面着手，进行试验的指导，避免在进行实验分析的过程中，出现盲目实验的可能性。

2  模型的建立

2.1 建立几何模型以及计算网络模型

在本文的分析过程中，主要针对某品牌的汽车发动机，当中缸体冷却水套，进行细致的研究和分析。而进行的几何模型的建立，通常请况下需要采用三维CAD软件进行执行，以此能够建立此相应的模型，同时需要注意的是，由于在模型的建立中，有着较高的复杂程度，同时建立模型需要消耗大量的时间成本，为了不会对模拟实验产生一定的影响，就需要对建立模型的过程中，进行一定的简化处理。

在建立出来的几何模型当中，需要通过UC软件，采用STP的格式，形成相应的模型文件。之后还需要使用FLUENT软件，通過软件当中的网格，对其发动机缸体的冷却水套，进行网格的划分，在对其冷却水套进行划分的过程中，需要在表面采用三角形的网格划分，而在流动区域内的处理上，则需要采用四面体的网格方式进行划分。而对整个冷却水套的结构进行分析的过程中，则需要采用非结构化的网格分析模式，在贴近发动机冷却水套避免的位置，需要对其附面层网格的方式进行处理，而在距离壁面较远的位置，则需要使用四面体网格单元的方式，以此形成较为复杂的三维空间域。并且，在分析的过程中，还需要结合起发动机冷却水套当中，流动参数的影响，使得对一些流动性比较大的位置，需要采用网格加密控制的方式进行分析。

2.2 算法以及边界条件

在冷却液的选择上，本试验主要采用水与乙二醇的混合溶液，并通过稳态的计算模式方式进行分析。在稳态模拟计算的过程中，需要让冷却液在水套当中的流动状态，保障处于绝热以及不可压的粘性湍流流动当中。使得可以在进行计算的过程中能够，通过有限体积的方法，将其需要计算的区域，进行离散控制体系网格的划分研究。这样就可以很好的控制单位体积上的积分。而在之后的模拟计算工程中，可以通过注入计算变量等方式，进行相应的模型分析计算。

其中，在入口便捷的位置，需控制好进口的速度，大体上依据缸体冷却水套，在冷却入口处的实际速度，进行调整。而在出口边界的条件下，则需要使得出口边界条件，能够很好的符合实际的压力需求。

3  流动仿真模拟结果

3.1 发动机缸体冷却水套表面的速度值

在发动机缸体冷却水套内表面，其实际的速度可以得到准确的测量，以此在进行分析的过程中，发现缸体冷却水套的内表面，在流动速度上，有着不均匀的现象，在个别位置出现流速较大的问题。同时，由于冷却液是由1缸向着4缸进行流动的，使得在其中的冷却液流速方面，不断的进行着速度的降低。

3.2 发动机缸体冷却水套外壁面速度

在外壁面的实际速度方面，与内表面的实际速度有着相似的地方，但是不同的在于，外壁面的冷却水套，相比较内壁面有着较低的速度。因此，就会使得在进气侧，使得冷却液的实际流动速度，稍微大于排气侧的实际速度值。特别是在第四缸的位置，有着明显的速度变化。

3.3 发动机缸体冷却水套速度矢量

在当冷却液，流动到了缸体的水套当中的时候，由于在流动的过程中，会受到水泵叶轮的影响，使得不会出现单线流动的情况，因此在其缸体冷却水套当中，并不是依据缸体的方向，进行横向的移动。而是首先需要流动到缸体的底部位置，之后在向缸体上方进行流动。因此，就会使得在流动的过程中，出现了一定旋涡效应。这样就会使得在流动的过程中，出现较大的流动阻力。同时冷却液在缸体的冷却水套外壁面，出现流速的降低。

3.4 顶平面位置的速度

在发动机的冷却系统当中，其冷却液在其水套的底部位置时，有着较低的流动速度，甚至在一些特殊位置下，有着近乎于零的流速。而在另一些位置上，冷却液在进气侧，则明显的高于排气侧的流动速度。

在缸体水套的顶部，其冷却液有着较高的流动速度，同时在四缸的位置上，能够进行流动的速度为零，因此有着流动速度不同的情况发生。

3.5 发动机冷却水套的温度变化

最后可以通过软件，对其发动机缸体的冷却水套，进行温度方面的分析和模拟，可以发现，在发动机运行的过程中，其温度变现并不一致，有着较为不同的温度变化，其中在缸体冷却水套的排气侧，有着较高的温度系数。同时，由于缸体冷却水套，相比较四缸位置的流速较低，就使得其温度相对较高。

4  优化分析

4.1 上水孔分析

在对其缸体冷水水套进行分析的过程中，发现在缸体冷却水套的冷却液，流向上水孔的时候，其一共有着24个上水孔。并且，之后在对其上水孔的冷却液质量进行分析后发现，不同的上水孔位置，由于面积不一致，就使得在质量流量分布的过程中，有着比较明显的差异性。相比较各个不同的排气道侧的冷却液，由于上水量位置，明显相对均匀，聚会时在流量的过程中，有着较高的属性，因此可以很好的进行排气。

4.2 优化分案分析

在对其原发动机在运行的过程中，进行充分模拟分析后发现，其冷却液在冷却水套的流动过程中，十分容易在外避免出现旋涡的问题。一旦出现了旋涡，就会使得在缸体冷却水套当中，使得冷却液的流动产生一定的阻碍，严重降低了流动速度，因此无法充分的发挥出冷却液的作用。特别是在第四缸位置，由于冷却液长期保持着底流动速度，就十分容易在局部位置，出现温度更高的问题，进而使得发动机的运行效果受到一定程度的影响。因此需要针对这方面的问题，进行相应的改进，以此保障进行优化处理。

首先，需要针对缸体的冷却水套，在冷却液的入口位置，需要进行高度的调整，可以将其降低大概15mm的位置。这样的调整优化方案下，可以很好的保障在冷却液流动的过程中，不会由于流动速度的不均匀，而在外壁面出现旋涡的问题，进而保障冷却液能够在流动的过程中，始终处于单线流动的情况。

其次，还需要对缸体冷却水套的冷却液，在上水孔进行相应的结构优化调整。能够保障有效的提升排气侧的冷区液流动的质量，同时避免出现流动质量的不均匀性问题，进而最大程度的让缸体冷却水套，能够在上水孔位置进行去除。通过这样的优化处理之后，使得可以很好的保障，在上水孔的分布当中，有着合理性。

4.3 优化方案比较

在对其优化处理之后，需要与原发动机进行比较分析。通过比较后发现，经过优化处理后，能够很好的提升冷区液的流动速度。但是，虽然在第四缸位置上，流动速度始终不足，对于原机型的效率之后，已经有着明显的提升。在缸体冷却液水套的顶部位置，已经有着较为明显的提升。同时，对于缸体冷却水套的顶部位置上，发挥出了最大的作用。同时在优化处理之后，也有效的提升了缸体上水孔位置的流动质量。

在相关数据分析后发现，通过发动机的优化调整，使得发动机运行过程中的温度不均匀问题得到了控制，进而保障运行效率的有效提升。在這样模型分析比较之后，使得对原本的发动机进行了系统性的改良，不仅仅能够有效的缓解运行过程中出现的诸多问题，同时也是有效的提升冷却液的作用，使得在发动机的整体运行过程中，始终保持着较高的冷却效能。而对于产生的例如旋涡问题，都可以通过这样的优化分析方法进行调整，以此保障对低流速的区域，进行合理的优化调整，避免运行中温度控制不当的问题出现。

5  总结

综上所述，在本文的分析过程中，首先对发动机缸体冷却水套，进行了CFD分析，之后则需要对模型当中反应的一些问题，进行相应的优化设计。通过对设计效果的观察发现，本设计能够有效的进行结构性的优化和调整，进而保障发动机运行过程中，有着较高的效率性。

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