0 引言
隨著發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)排放性、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性要求不斷提高，為了更好地保證發(fā)動(dòng)機(jī)工作于正常溫度下，一種新型的冷卻方式一一缸蓋集成排氣歧管式的冷卻水套應(yīng)運(yùn)而生。集成排氣歧管冷卻水套有效地降低了在滿負(fù)荷及接近滿負(fù)荷區(qū)域中的油耗，也減小了在歐洲運(yùn)行循環(huán)試驗(yàn)中的C02排放量，同時(shí)也改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱循環(huán)以及汽車(chē)客艙的預(yù)熱。但是由于缸蓋集成排氣歧管后，復(fù)雜性加大且排氣歧管處水套若設(shè)計(jì)不完善會(huì)造成缸蓋熱負(fù)荷急劇加大。近年來(lái)，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件的發(fā)展，越來(lái)越多地用模擬計(jì)算方法。
同時(shí)，2006年，郭立新等科研人員采用直接熱流耦合的計(jì)算方法計(jì)算了某汽油機(jī)汽缸蓋和機(jī)體的溫度場(chǎng)，測(cè)點(diǎn)計(jì)算值和實(shí)際值的最大誤差約為7.64%，反映該方法具有足夠的精度。
本文運(yùn)用STAR-CCM+軟件對(duì)整個(gè)水套進(jìn)行了流場(chǎng)分析，獲得了速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及換熱系數(shù)的分布，可對(duì)冷卻效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的設(shè)計(jì)提供參考。
1 計(jì)算模型及計(jì)算方法
1.1 建模及網(wǎng)格劃分
基于排氣歧管水套處的冷卻水的來(lái)源不同，可以建立以下幾種模型，以討論不同的冷卻液流動(dòng)形式對(duì)缸蓋缸體主水套帶來(lái)的影響。
以上三個(gè)方案為帶有排氣歧管水套的整體水套，為簡(jiǎn)化計(jì)算，略去了機(jī)油冷卻器等。整個(gè)冷卻水套模型包括水泵（為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)水泵部分只保留部分渦形空腔）、缸體水套、缸蓋水套、排氣歧管水套、缸墊水孔。該模型包括一個(gè)進(jìn)口（水泵進(jìn)口）和兩個(gè)出口（缸蓋水套出水口及缸體水套出水口）。下面分別對(duì)每個(gè)模型的冷卻液具體流動(dòng)情況進(jìn)行說(shuō)明：
方案一：冷卻液由水泵入口處進(jìn)入，整個(gè)冷卻水路分為三個(gè)部分：一部分由布水道處的上水孔進(jìn)入缸蓋進(jìn)氣側(cè)，之后流到排氣側(cè)由出水口流出；一部分進(jìn)入缸體水套冷卻；另一部分進(jìn)入缸體之后由缸體的上水孔流入排氣歧管水套，冷卻排氣歧管之后與來(lái)自缸體的冷卻液匯合，最后由同一出口流出（見(jiàn)圖1）。
圖1 水套模型（方案一）
方案二：冷卻液由水泵入口處進(jìn)入，一部分進(jìn)入缸體進(jìn)行冷卻之后由獨(dú)立的缸體出水口流出；一部分由缸體布水道上的上水孔進(jìn)入缸蓋進(jìn)氣側(cè)之后流入缸蓋排氣側(cè)，從缸蓋頂側(cè)至下流過(guò)兩排氣道之間的鼻梁區(qū)后流到底層排氣歧管水套；另一部分由缸體的上水孔流入頂層排氣歧管進(jìn)行冷卻，之后與底層的排氣歧管冷卻液一起由出口處流出（見(jiàn)圖2）。
圖2 水套模型（方案二）
方案三：冷卻液分為兩部分：一部分由布水道進(jìn)入缸體，冷卻缸體后由缸體出水口流出；另一部分由布水道處的上水孔進(jìn)入缸蓋進(jìn)氣側(cè)之后流入缸蓋排氣側(cè)，至上而下流過(guò)兩排氣道之間的鼻梁區(qū)后，流入排氣歧管進(jìn)行冷卻之后由缸蓋出水口流出（見(jiàn)圖3）。
圖3 冷卻水套幾何模型（方案三）
1.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件
1.2.1 數(shù)學(xué)模型
流體運(yùn)動(dòng)是最復(fù)雜的物理行為之一，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中應(yīng)力分析等問(wèn)題相比，其建模與數(shù)值模擬要復(fù)雜的多。但是，對(duì)于任何復(fù)雜的湍流流動(dòng)，N-S方程都是適用的。冷卻水套中冷卻液的流動(dòng)，其實(shí)質(zhì)就是流體流動(dòng)與換熱問(wèn)題。
同時(shí)冷卻水套內(nèi)的流體流動(dòng)為湍流流動(dòng)，需要附加湍流方程。湍流模型的選取要視具體情況而定，本模型中選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。
1.2.2 邊界條件及參數(shù)設(shè)置
本次計(jì)算加載的邊界條件如下：
a.水泵渦形腔進(jìn)口邊界條件采用流量邊界條件，取發(fā)動(dòng)機(jī)最大負(fù)荷下的水泵流量190L/min，進(jìn)口冷卻液溫度設(shè)定為90℃。
b.出口采用壓力邊界條件，取壓力值1.5bar
c.整個(gè)模型采用分離流體溫度條件，缸體壁面溫度設(shè)定為100℃，缸蓋壁面溫度設(shè)定為120℃。
2 結(jié)果分析
2.1 總壓降
由于冷卻水套中各部位壓力的絕對(duì)值與出口處壓力值及參考?jí)毫Φ脑O(shè)定有關(guān)，且主要關(guān)注的是整個(gè)水套中的總壓降，為避免誤解，這里略去各部位壓力的數(shù)據(jù)值。由于進(jìn)出口壓差可以反映出冷卻液在水套中的總流動(dòng)損失，壓差應(yīng)越小越好，一般計(jì)算總壓損失，不同的發(fā)動(dòng)機(jī)水套可以接受的范圍是不同的。同時(shí)要求冷卻液在進(jìn)、出口處不得有急劇的壓力降，水流沿程的壓力變化應(yīng)緩和。本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)進(jìn)出口的總壓降來(lái)查看三個(gè)水套的壓力場(chǎng)是否合格，經(jīng)過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì)，方案一進(jìn)出口壓損為1.32bar,方案二進(jìn)出口壓損為0.88bar，方案三進(jìn)出口壓損為0.77bar。相對(duì)于水泵的揚(yáng)程，三個(gè)方案的壓力損失均在可以接受的范圍內(nèi)（在可以接受的范圍內(nèi)時(shí)，整個(gè)水套的壓力損失越小越好）。
圖中顏色變化比較大的地方即是壓力損失較大區(qū)域，由圖4-6可以看出，三個(gè)方案中缸體水套的上水孔均出現(xiàn)較大的壓力損失，此處作為缸體水套中冷卻水的出口，壓損的產(chǎn)生是不可以避免的，同時(shí)也說(shuō)明可以通過(guò)調(diào)整此處水孔的大小來(lái)調(diào)節(jié)缸體水套的流量。同時(shí)注意到，方案一（圖4）由于排氣歧管中冷卻液通過(guò)上水孔全部來(lái)自于缸體水套，整個(gè)壓力損失比較大。
圖4 壓力場(chǎng)分布（方案一）
圖5 壓力場(chǎng)分布（方案二）
圖6 壓力場(chǎng)分布（方案三）
2.2 速度結(jié)果分析
2.2.1 缸蓋速度分析
如圖7-9為缸蓋速度場(chǎng)分布，分析上圖，可知方案二和方案三的缸蓋速度分布比較均勻，且流速較方案一明顯提高。究其原因，方案一排氣歧管水套從缸體單獨(dú)引水，在總進(jìn)水量保持不變的條件下，勢(shì)必造成缸蓋水套流量減小（見(jiàn)表1），導(dǎo)致總體速度降低。方案三（圖9）由于缸蓋水套中冷卻液自排氣道鼻梁區(qū)至上而下流過(guò)后，全部流經(jīng)排氣歧管水套進(jìn)行冷卻，不但使得缸蓋水套沒(méi)有因?yàn)榕c排氣歧管集成而受到不利影響，提高了缸蓋主水套中的冷卻液流速，同時(shí)排氣歧管水套因?yàn)椴挥每紤]分流量的多少，流過(guò)缸蓋后全部流經(jīng)排氣歧管進(jìn)行冷卻，也使得其流速大大提高。各方案中各部分的流量分配比例見(jiàn)表1。
圖7 缸蓋速度場(chǎng)分布（方案一）
圖8 缸蓋速度場(chǎng)分布（方案二）
圖9 缸蓋速度場(chǎng)分布（方案三）
表1 各方案流量分配(L/min)
如圖10-12為各方案兩排氣道之間鼻梁區(qū)的流速分布，此位置是缸蓋中熱負(fù)荷較大的區(qū)域，為保證良好的冷卻效果，一般會(huì)要求此處區(qū)域的流速在2m/s以上。如圖10，方案一一缸鼻梁區(qū)流速平均在1m/s左右，而二三缸鼻梁區(qū)流速則低于0.5m/s，四缸鼻梁區(qū)流速則達(dá)到2.5m/s，鼻梁區(qū)的冷卻不均勻，也沒(méi)有達(dá)到冷卻要求。對(duì)比圖11和圖12，兩者主要區(qū)別在于二三缸鼻梁區(qū)的流速上，方案二中二三缸流量較一四缸低，導(dǎo)致此兩缸流速較低，四個(gè)缸的鼻梁區(qū)流速分不不均勻；而方案三中各缸鼻梁區(qū)流量分配均勻（表2），因此流速分布也很均勻（圖12），且均處于2.5m/s左右，可有效降低排氣道處的溫度。
圖10 排氣道間鼻梁區(qū)流速分布（方案一）
圖11 排氣道間鼻梁區(qū)流速分布（方案二）
圖12 排氣道間鼻梁區(qū)流速分布（方案三）
表2 各方案鼻梁區(qū)間流量(L/min)
2.2.2 缸體速度分析
缸體相對(duì)于缸蓋來(lái)說(shuō)，整體熱負(fù)荷并不大，一般會(huì)要求缸體火力面處的流速大于0.5m/s，同時(shí)要求缸體流速較為均勻，不要有大片的流動(dòng)死區(qū)出現(xiàn)。由圖1-3可知，由于此冷卻水套為分流式水套，缸體與缸蓋水套互不干擾，冷卻液由缸體入口處流入之后，分別流向缸體進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)后由出口流出，因此缸體中的冷卻液流量對(duì)流速的分布起著至關(guān)重要的作用。由圖13-15及表1可以看到，方案二缸體流量最大，因此整個(gè)的流速分布也相對(duì)好一些。比較方案一和方案三，兩者缸體流量均為51L/min，但由于方案一中排氣歧管水套中冷卻液完全通過(guò)上水孔1流入，使得缸體排氣側(cè)受到影響，其中一缸影響最大，四缸由于靠近出口處加快了流動(dòng)，所受影響稍小一些，缸體水套流速分布極其不均勻，因此不建議完全從缸體取冷卻液來(lái)冷卻排氣歧管。對(duì)比方案二和方案三，由于方案二缸體流量較大且缸體取水孔取水量7.51L/min（對(duì)比方案一，取水量為44.23L/min），缸體水套并沒(méi)有產(chǎn)生不利影響；但是從前述分析可知，由于方案二缸蓋流量較少（排氣歧管水套中分流出一部分），整體流速較低，對(duì)于重點(diǎn)需要冷卻的部位（噴油器火花塞附近，各缸鼻梁區(qū)）均存在著流速較低且分布不均勻現(xiàn)象。綜上述分析，三種方案中建議采用方案三。
圖13 缸體流速分布（方案一）
圖14 缸體流速分布（方案二）
圖15 缸體流速分布（方案三）
3 結(jié)論
1)本文利用某流體軟件對(duì)三種方案的冷卻水套進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)分析各自的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)及換熱系數(shù)的分布，可以比較得出各方案的優(yōu)劣性，在產(chǎn)品研發(fā)階段中起著重要作用。
2)缸蓋集成排氣歧管式的冷卻水套由于整個(gè)水套分為缸蓋、缸體、排氣歧管三個(gè)部分，在水泵所提供的流量不變的前提下，各部分冷卻液流量的分配和排氣歧管水套中冷卻液的來(lái)源對(duì)整個(gè)水套會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要反復(fù)推敲驗(yàn)證。
3)通過(guò)分析可知：方案一由于排氣歧管水套中冷卻液全部來(lái)自缸體水套，對(duì)缸體的排氣側(cè)造成影響（尤其是一缸取水位置），而且整個(gè)水套會(huì)分為三部分，為兼顧排氣歧管和缸體中適當(dāng)?shù)牧髁浚咨w流量小于其所需流量，造成缸蓋流速分布較低；方案二排氣歧管水套中冷卻液一部分來(lái)自缸體，一部分來(lái)自缸蓋，除了需要合理控制來(lái)自缸體的冷卻液流量外，對(duì)缸蓋水套的均勻性也需要重點(diǎn)把握；相對(duì)來(lái)說(shuō)，方案三流過(guò)缸蓋鼻梁區(qū)的冷卻液全部流到排氣歧管進(jìn)行冷卻，極大地提高了缸蓋和排氣歧管中的冷卻液流量，冷卻效果較好。
4 誤差分析
缸墊水孔屬于在劃分網(wǎng)格時(shí)極易變形的部位，因此在前處理過(guò)程中對(duì)上水孔網(wǎng)格做了細(xì)化處理，較好地保留水孔處的原始形狀，盡可能地減小該部位的解算誤差；冷卻液的密度變化率約為2%，可以忽略將其設(shè)為不可壓縮流體所引起的誤差；邊界條件給定缸體缸蓋的溫度（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給定），會(huì)引起一定的誤差，但對(duì)于流速分布的討論影響不大。
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