某直轴型波轮发动机冷却流道FLUENT仿真分析及设计优化

何昌德 杨刚 罗嗣林

摘 要 根据某直轴型波轮发动机运动部件排布情况设计其冷却流道，并建立冷却流道三维数值模型，结合ANSYS FLUENT对冷却流道的水流特性开展仿真分析，研究进水口排布、进水口直槽角度、进水口压力、出水口压力等对水流压力及流速的影响。结果表明：其他条件一致时，随着进水口直槽角度的增大，冷却流道内冷却水压力和水流流速均逐渐降低;随着进水口数量的增加，冷却流道内冷却水压力增大;随着进水口压力的增大，冷却流道内冷却水压力增大、水流流速增大;随着出水口压力的增大，冷却流道内冷却水压力增大、水流流速降低。

关键词 发动机;冷却流道;水流特性

Fluent simulation analysis and design optimization of cooling channel of a straight axis wavy wheel engine

He Changde  Yang Gang  Luo Silin

Taizhou Vocational College of Science and Technology， Taizhou 318020，Zhejiang，China

Abstract According to the arrangement of the moving parts of a straight axis wave wheel engine， the cooling channel was designed and the three-dimensional numerical model of the cooling channel was established. Combined with ANSYS fluent， the flow characteristics of cooling channel was simulated and analyzed， the effects of intake arrangement， inlet straight slot angle， inlet pressure and outlet pressure on flow pressure and velocity were studied. The results shows that： when other conditions are the same， with the increase of inlet straight slot angle， the cooling water pressure and flow velocity in the cooling channel gradually decrease. With the increase of the number of water inlets， the cooling water pressure in the cooling channel increases. With the increase of the inlet pressure， the cooling water pressure and flow velocity in the cooling channel increase. With the increase of the outlet pressure， the cooling water pressure and flow velocity in the cooling channel increase， the internal cooling water pressure increases and the flow velocity decreases.

Key words Engine; Cooling channel; Water flow characteristics

引言

隨着汽车工业的持续发展，能源消耗和环境污染问题日益突显，汽车轻量化是实现节能、减排的重要措施之一[1]。有研究表明：汽车总重量每下降1%，其油耗将减少0.6～0.9%，排放量将减少0.4%[2]。传统发动机缸体上大多直线排列气缸孔，曲轴旋转两周完成一次做功。某直轴型波轮发动机是一种在圆柱形缸体上环形排布气缸的新型发动机，用正弦波环形轮代替传统发动机的曲轴， 环形轮每旋转一周一个缸体内运动部件做功一次，可以通过调节正弦函数的幅值、频率、初相角形成不同特性的环形轮，实现不同的动力输出性能。相较于传统发动机，环形排列发动机结构紧凑、质量轻、体积小，应用前景广阔。

冷却系统作为发动机不可或缺的重要部分，维持发动机在适宜的温度区间稳定工作。冷却系统性能的优劣直接影响着发动机的动力性、使用寿命[3]。按照冷却介质的不同，冷却系统可分为水冷和风冷两类方式。水冷较风冷冷却效果好，且便于控制。目前，水冷系统的研究主要集中于试验法和有限元分析法两类。水冷系统流道设计中，水流的压力和流速直接影响其冷却性能[4]。本文运用ANSYS FLUENT对某直轴型波轮发动机水冷流道的水流特性进行有限元仿真分析，为波轮发动机水冷流道的优化设计提供重要参考。

1环形排列发动机水冷系统流体仿真分析

1.1 模型建立

某直轴型波轮发动机有6个气缸，根据波轮发动机水冷流道的结构需求，建立三维模型用于ANSYS FLUENT有限元仿真分析，图1所示为某直轴型波轮发动机水冷流道示意图，对水冷区域进行网格自划分，根据冷却系统的工况，流体与缸体壁面接触的边界条件为静止、无滑移，设置其他边界条件如下：方案1，水冷流道采用6个进水口周向等距排布模式，进水口压力为0.10MPa，出水口压力为0.05MPa，进水口直槽角度分别为30°、45°、60°，研究进水直槽角度对冷却流道冷却水压力及水流流速的影响。方案2，水冷流道进水口直槽角度为30°，进水口压力为0.50MPa，出水口压力为0.05MPa，进水口周向等距排布分别为6个、3个、2个，研究进水口数量对冷却流道冷却水压力的影响。方案3，水冷流道采用6个进水口周向等距排布模式，进水口直槽角度为30°，出水口压力为0.05MPa，进水口压力分别为0.10MPa、0.50MPa、2.50MPa，研究进水口压力对冷却流道冷却水压力及水流流速的影响。方案4，水冷流道采用6个进水口周向等距排布模式，进水口直槽角度为30°，进水口压力为0.50MPa，进水口压力分别为0.05MPa、0.10MPa、0.20MPa、0.40MPa，研究出水口压力对冷却流道内冷却水压力及水流流速的影响。

图1 某直轴型波轮发动机水冷流道示意图

1.2 仿真结果分析

图2、图3所示分别为水冷流道采用6个进水口周向等距排布模式，进水口压力为100000 Pa，出水口压力为50000 Pa条件下，进水口直槽角度分别为30°、45°、60°时对应的冷却流道内冷却水压力云图和水流流速云图，从图2可以看出，随着进水口直槽角度的增大，冷却流道内冷却水压力逐渐降低，当进水口直槽角度为30°时，冷却流道内冷却水压力最高为82280 Pa;当进水口直槽角度为60°时，冷却流道内冷却水压力最高为76550 Pa，表明进水口直槽角度越大，冷却水水流作用于冷却水道部位4的压力就越大。从图3可以看出，随着进水口直槽角度的增大，冷却流道内冷却水水流流速逐渐降低。

图4所示为水冷流道进水口直槽角度为30°，进水口压力为500000 Pa，出水口压力为50000 Pa条件下，进水口周向等距排布分别为6个、3个、2个时对应的冷却流道内冷却水压力云图，从图4可以看出，随着进水口数量的增加，冷却流道内冷却水压力增大，进水口周向等距排布为6个时，冷却流道内冷却水压力最高为33610 Pa;进水口周向等距排布为3个时，冷却流道内冷却水压力最高为20590 Pa。

图5、图6所示分别为水冷流道采用6个进水口周向等距排布模式，进水口直槽角度为30°，出水口压力为50000 Pa条件下，进水口压力分别为100000 Pa、500000 Pa、2500000 Pa時对应的冷却流道内冷却水压力云图和水流流速云图，从图5可以看出，随着进水口压力的增大，冷却流道内冷却水压力增大，进水口压力分别为100000 Pa时，冷却流道内冷却水压力最高为82280 Pa;进水口压力分别为2500000 Pa时，冷却流道内冷却水压力最高为1628000 Pa。从图6可以看出，随着进水口压力的增大，冷却流道内冷却水水流流速增大。

图7、图8所示分别为水冷流道采用6个进水口周向等距排布模式，进水口直槽角度为30°，进水口压力为500000 Pa，出水口压力分别为50000 Pa、100000 Pa、200000 Pa、400000 Pa时对应的冷却流道内冷却水压力云图和水流流速云图，从图7可以看出，随着出水口压力的增大，冷却流道内冷却水压力增大，出水口压力为50000 Pa时，冷却流道内冷却水压力最高为336100 Pa;出水口压力为400000 Pa时，冷却流道内冷却水压力最高为466900 Pa;。从图8可以看出，在进水口排布、进水口直槽角度和进水口压力一定时，随着出水口压力的增大，冷却流道内冷却水水流流速降低。

2结束语

（1）水冷流道采用6个进水口周向等距排布模式，进水口压力为0.10MPa，出水口压力为0.05MPa条件下，进水口直槽角度分别为30°、45°、60°时，随着进水口直槽角度的增大，冷却流道内冷却水压力逐渐降低、水流流速逐渐降低。

（2）水冷流道进水口直槽角度为30°，进水口压力为0.50MPa，出水口压力为0.05MPa条件下，进水口周向等距排布分别为6个、3个、2个时，随着进水口数量的增加，冷却流道内冷却水压力增大。

（3）水冷流道采用6个进水口周向等距排布模式，进水口直槽角度为30°，出水口压力为0.05MPa条件下，进水口压力分别为0.10MPa、0.50MPa、2.50MPa时，随着进水口压力的增大，冷却流道内冷却水压力增大、水流流速增大。

（4）水冷流道采用6个进水口周向等距排布模式，进水口直槽角度为30°，进水口压力为0.50MPa，出水口压力分别为0.05MPa、0.10MPa、0.20MPa、0.40MPa时，随着出水口压力的增大，冷却流道内冷却水压力增大、水流流速降低。

参考文献

[1] 洪腾蛟，董福龙，丁凤娟，等.铝合金在汽车轻量化领域的应用研究[J].热加工工艺，2020，49（4）：1-6.

[2] 余迅，南海秋.浅析汽车尾气排放控制技术[J].中国高新技术企业，2017（6）：105-106.

[3] 袁新.基于CFD技术汽车发动机冷却系统匹配性设计[J].机械设计与制造，2020（4）：156-160.

[4] 初韶群.12V265柴油机水冷系统流动与传热性能研究[D].大连：大连交通大学，2019.

作者简介

何昌德（1967-），男，浙江台州人;职称：教授、高级工程师，现就职单位：台州科技职业学院机电与模具工程学院，研究方向：汽车发动机设计研发。