发动机冷却水套流场的CFD分析及性能优化

谭礼斌， 袁越锦， 黄 灿， 唐 琳， 何 丹

(1.陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021； 2.隆鑫通用动力股份有限公司 技术中心， 重庆 400039)

冷却水套作为发动机冷却系统的重要部件，其散热性能的好坏直接影响发动机的正常运行。冷却水套的主要作用是冷却发动机，降低高温区域的热负荷并保证发动机工作在适宜的温度下[1]。随着计算机仿真技术的迅速发展，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法逐步成为了研究发动机冷却水套内冷却液三维流动状态的重要手段[2-4]。黄灿等采用CFD方法对某冷却水套内冷却液流速分布和壁面换热系数进行了分析，为水套性能评估及优化提供了参考[5]。毕玉华等采用CFD技术，研究了发动机水套内冷却液流动均匀性对结构热变形的影响[6]。利用CFD方法研究发动机冷却水套散热性能，并有针对性地进行结构改进和散热性能提升，从理论上指导结构设计及实验验证工作，可减少产品开发前期的盲目性[7-8]。

为评估一款摩托车发动机冷却水套散热性能并进行性能优化研究，本文应用CFD方法，采用STAR-CCM+软件对冷却水套结构设计方案进行三维流场数值模拟，依托CFD分析结果提出改进方案，以便为该款发动机冷却水套的冷却性能评估和结构改进提供参考。

1 发动机冷却水套模型构建

该款摩托车发动机冷却水套计算域网格模型如图1所示。冷却水套高温区域主要可分为缸头排气上鼻梁区、缸头排气下鼻梁区和缸体排气上部区域。其温度趋势基本为缸头排气上鼻梁区温度值>缸头排气下鼻梁区温度值>缸体排气上部区域温度值。在设计冷却水套时，要重点考虑这3个区域的冷却液流动情况，让更多的冷却液流向这些区域，且要设法提高冷却液的流速，以保证发动机的正常散热。两种缸垫方案的缸垫及相应缸孔如图2所示。缸垫方案一和缸垫方案二都有3个上水孔。二者的上水孔位置有下列不同：缸垫方案一在进气侧布置了两个上水孔，缸垫方案二在排气侧布置了两个上水孔。为评估两种缸垫方案的冷却水套内部流场，可采用相同的网格控制策略和边界条件对二者进行对比分析，以便选择较优的缸垫上水孔布置方式进行后续优化。

图1 冷却水套计算域网格模型Fig. 1 Mesh model of cooling water jacket computing domain

(a) 缸垫方案一

本文所选取冷却液介质为 50%乙二醇和 50%水的混合溶液。该冷却液的温度为90 ℃，动力黏性系数为0.000 82 Pa·s，密度为1 030 kg/m3。冷却水套中冷却液的流动为不可压缩的黏性湍流态，且能以STAR-CCM+软件中的 realizable two-layer k-epsilon作为湍流模型，遵循连续性方程和动量方程规律。

将冷却水套的入口边界设置为质量流量，其值为0.718 8 kg/s，对应于发动机台架实验在8 500 r/min转速点实测的体积流量42 L/min；将出口边界设置为压力，其值为0 Pa(相对压力)；采用无滑移壁面边界。

采用文献[8]的发动机台架实验方法，将进口水温控制在90 ℃，对发动机进水压力和出水压力进行测试。发动机进水压力和出水压力之差即为水套流阻。选取缸垫方案一进行测试，为模型验证提供实验数据。经过实测，流量为42 L/min时流阻为21.5 kPa。

在验证所构建模型时，本文测试所得流阻与网格数量的关系如图3所示。

图3 流阻与网格数量的关系Fig. 3 Relationship between flow resistance and number of grids

从图3可以看出，当网格数量达到300万个以上时，计算流阻值趋于稳定，计算流阻为20.6 kPa，与实测相差0.9 kPa，误差较小。这表明，网格数量选择300万个时能够获得较准确的结果。

2 冷却水套的冷却液流速分布对比

冷却水套的冷却能力主要采用壁面换热系数、冷却液流速两个指标来反映。由于换热系数与流速直接相关，两者具有基本相同的分布特征，即流速大、流动均匀性好的区域，对应的换热系数大且分布较均匀，而流速小、流动均匀性差或零流速的区域，对应的换热系数小且分布紊乱。通常，排气侧及鼻梁区热负荷较高，要求流速大、流动均匀性好，因此对应的换热系数要大且分布应尽可能均匀[9]。因流速与换热系数有共同的分布特征，所以本文从冷却液流动角度对冷却水套进行性能评估及具有针对性的结构改进，基本可满足冷却水套的冷却液流速分布设计要求。图4所示为两种缸垫方案的水套内部冷却液流速分布云图。

(a) 缸垫方案一 (b) 缸垫方案二图4 两种缸垫方案的水套内部冷却液流速分布云图Fig. 4 Distribution nephogram of coolant flow velocity distribution in water jacket about two cylinder gasket designs

从图4可以看出，缸垫方案一和缸垫方案二中区域1的冷却液流速都较低。分析可知，该区域属于排气上鼻梁区，相应的冷却液会流至排气下鼻梁处，因此该区域冷却液流速较低，会对整个水套排气侧的冷却产生影响，需要重点关注。从图4也可以看出，缸垫方案一中水套冷却液的流动均匀性较差，其中区域2的流速很低，存在速度死区。分析可知，该区域位于缸体的水套排气侧，若冷却液流速不够大，就会导致局部温度过高而不利于缸体水套的冷却。从图4还可以看出，缸垫方案二中水套冷却液的流动均匀性较好，且区域2的冷却液流速明显比缸垫方案一中该区域的流速分布均匀。显然，缸垫方案二的上水孔布置方式较优，可选择在缸垫方案二的基础上通过改进缸体水套结构来改善区域1的冷却液流动状态，从而提升水套的整体散热性能。

为了查看水套内部冷却液的流动细节，这里给出了图5所示的水套及其截面仿真图、图6所示的缸垫方案一下水套内部冷却液各截面的速度云图、图7所示的缸垫方案二下水套内部冷却液各截面的速度云图。

(a) 水 套 (b) 截面1位置 (c) 截面2位置图5 水套及其截面仿真图Fig. 5 Water jacket and its sections simulation diagram

(a) 区域1 (b) 区域2 (c) 区域3图6 缸垫方案一下水套内部冷却液各截面的速度云图Fig. 6 Velocity cloud diagram of each section of coolant inside the water jacket at cylinder gasket design one

(a) 区域1 (b) 区域2 (c) 区域3图7 缸垫方案二下水套内部冷却液各截面的速度云图Fig. 7 Velocity cloud diagram of each section of coolant inside the water jacket at cylinder gasket design two

从图6、图7可以看出：缸垫方案二下水套内部冷却液流速在区域2和区域3的分布均匀性都优于缸垫方案一；水套内部区域1(即排气道附近区域)的冷却液流速较低，不利于该区域的冷却。因此需对冷却水套结构进行改进，以改善区域1的冷却液流动状态，提升散热性能。

3 冷却水套结构改进方案的分析

为了改善排气侧冷却液流动状态，本文将流道加高加宽，从而增大鼻梁区的流通面积，形成了缸头水套改进方案一；在缸头水套改进方案一的基础上，进行开槽导流处理，形成了缸头水套改进方案二。图8所示为两种缸头水套改进方案的对比情况。图9所示为两种缸头水套改进方案的水套内部速度流线。

(a) 缸头水套改进方案一 (b) 缸头水套改进方案二图8 两种缸头水套改进方案的对比Fig. 8 Comparison of the two improvement designs of cylinder head water jacket

(a) 缸头水套改进方案一 (b) 缸头水套改进方案二图9 两种缸头水套改进方案的水套内部速度流线Fig. 9 Internal velocity streamline of the two improvement designs of cylinder head water jacket

对比分析可知：缸头水套结构改进后冷却液流速分布比原结构有明显改善；缸头水套改进方案二中排气道附近区域的冷却液流速提升更明显，有利于该区域的散热；两种缸头水套改进方案都能改善排气侧冷却液的流动状态，有利于降低发动机的高温区域热负荷。

为了进一步评估缸头水套结构改进的效果，本文对冷却水套的冷却液流道进行截面提取，统计各流道截面流量(见图10)，对比分析了缸头水套结构改进前后各截面流量占比的变化情况(见图11)。

(a) 截面1-截面6

图11 缸头水套结构改进前后各截面流量占比的变化情况Fig. 11 Changes of flow proportion for each section before and after improvement of cylinder head water jacket structure

从图11可以看出：两种缸头水套改进方案在截面1的冷却液流量占比皆有所提升，其中缸头水套改进方案二的提升效果较明显；两种缸头水套改进方案在鼻梁区(截面2)的冷却液流量占比略有下降，其中缸头水套改进方案一从改进前的流量占比8.8%降低为8.1%，而缸头水套改进方案二的流量占比降为6.8%，流量占比降低明显，存在一定的过热风险；缸头水套改进方案二在截面3的流量占比也比改进前有明显降低，冷却能力减弱。分析可知，缸头水套改进方案二下冷却液流量分配情况比原结构有明显的改变，同时从砂型工艺和缸头铸造工艺考虑，在缸头水套上开槽的砂型工艺容易导致结构强度不够的后果。因此，缸头水套改进方案二不可行。综合来看，建议选择缸头水套改进方案一作为该冷却水套结构的改进方案。

图12所示为改进后冷却水套内部的速度流线。

图12 改进后冷却水套内部的速度流线Fig. 12 Internal velocity streamline distributions of improved cooling water jacket

从图12可以看出，改进后冷却水套大部分区域的冷却液流速都大于0.5 m/s，缸头水套排气侧冷却液流速都大于1.5 m/s，且水套内部冷却液流动中不存在大面积的死区现象。因此，改进的冷却水套能够满足水套内冷却液流速的设计要求[10]。

4 方案确定

为验证方案的有效性，针对原缸头水套+缸垫方案一，以及缸垫方案二+缸头水套改进方案一两种情况，在发动机台架实验时测量了发动机最大功率对应转速8 500 r/min的机油温度和缸头火花塞垫片温度。图13所示为两种情况下的机油温度和缸头火花塞垫片温度。

从图13可以看出，选择缸垫方案二和缸头水套改进方案一后，机油温度和缸头火花塞垫片温度分别为116 ℃和146 ℃，相比原缸头水套+缸垫方案一的时候，对应温度分别降低了4 ℃和6 ℃。这表明，相应的冷却水套结构改进后，水套散热性能得到了提升，发动机热负荷有所改善。

5 结语

本文采用CFD方法对一款摩托车发动机冷却水套流场特性进行了数值模拟，并对两种缸垫布置方式进行了对比分析。结果表明，该款发动机冷却水套缸垫方案二下水套内冷却液流动的均匀性优于缸垫方案一，建议选择缸垫方案二作为该款发动机的缸垫方案。为改善排气侧的冷却液流动状态，提出了两种缸头水套改进方案。其中缸头水套改进方案一中排气侧冷却效果略有改善，鼻梁区的冷却液流量占比为8.1%，略有降低；而缸头水套改进方案二中排气侧冷却效果改善明显，火花塞垫片鼻梁区冷却温度明显降低。考虑到开槽对砂型工艺有不良影响，而缸头水套改进方案一中流道加高加宽后结构强度提高且排气侧有改善，本文建议按缸垫方案二+缸头水套改进方案一制作发动机冷却水套样件。研究结果为该款发动机冷却水套的冷却性能评估及结构改进提供了参考。