（机械工程专业论文）汽油机冷却水套性能数值模拟与优化研究.pdf

n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o ns t u d y o ft h eg a s o l i n ec o o l i n gj a c k e tp e r f o r m a n c e b y l y i b i n b e ( x i a n g t a nu n i v e r s i t y ) 19 9 5 a t h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no f t h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m a c h i n e r ye n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y a s s o c i a t ep r o f e s s o re j i a q i a n g f e l l o wc h e nj i a n m e i o c t o b e r , 2 0 1 0 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者虢：) 1 红左圻 嗍加7 ，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：j 办三文广日期：矽d 年，r 月多日 导师签名。屏易叨 日期：o 年f 7 月矿日 隧 汽油机冷却水套性能数值模拟与优化研究 摘要 随着汽油机的不断强化，缸体与缸盖的传热和热负荷已成为影响汽油机综合 性能的重要因素。开发具有流动阻力小、传热性能优的冷却水套则是车用汽油机 能否在2 l 世纪仍作为交通运输领域主要动力的一个重要条件。因此，汽油机冷却 水套热平衡分析、汽油机冷却水套流场分析及其性能优化对保证汽油机零部件保 持适宜工作温度，确保其工作可靠性和良好性能、实现节能减排目标具有重要的 现实意义。 本文以湖南大学“9 8 5 ”二期汽车先进设计制造技术科技创新平台、( 教重 函 2 0 0 4 】1 号) 为依托，以实现提高汽油机的工作稳定性和改善汽油机动力性、经 济性和排放性为目的，论文的主要工作如下： ( 1 ) 建立了汽油机冷却水套热平衡方程，并对传热性能影响因素进行了重要 程度分析，为汽油机冷却水套热设计提供很好的理论依据。 ( 2 ) 对某四缸汽油机冷却水套内的流场进行了数值模拟，结果表明，该冷却 水套整体上能达到设计要求的冷却效果，但局部冷却不足，易导致缸盖排气侧冷 却差以及缸盖和缸垫上水口处压力存在较大损失等问题。 ( 3 ) 针对某四缸汽油机冷却水套存在的问题，采用了相应的性能优化措施一 增大第1 缸和第2 缸之间的水孔的直径、将第3 缸和第4 缸进气门侧的水孔位置 往出水口端移动以及增大将排气侧的部分水孔的直径。优化后仿真结果表明，缸 盖排气侧的冷却能力增强，冷却水套冷却性能整体上得到较好的改善。 关键词：汽油机；冷却水套；c f d 分析；优化 a b s t r a c t w i t hc o n t i n u a le n h a n c e m e n to ft h eg a s o l i n ee n g i n e ，h e a t t r a n s m l s s l o na n d t h e m “1 0 a do ft h ec y l i n d e rb l o c ka n dc y l i n d e rh e a dh a v eb e c o m e a n1 m p o r t a n tf a c t o r i ne n g i n ec o m b i n a t i o np e r f o r m a n c e d e v e l o pas m a l lf l o wr e s i s t a n c e ，e x c e l l e n t h e a t t r a n s f e rp e f f o r m a n c eo ft h ec o o l i n gw a t e rj a c k e ti sv e r yi m p o r t a n t t h i s c a nd e c i d e t h a tt h eg a s o l i n ee n g i n ew h e t h e rc a na l s o a sm a j o ri m p e t u si n t h e21 s tc e n u r y t r a n s p o r t a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n s t h e r e f o r e ，h e a tb a l a n c ea n a l y s i s o ft h ec o o l l n g w a t e ria c k e t ，f l o wf i e l d a n a l y s i s o ft h ec o o l i n gw a t e rja c k e t a n dp e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o na r ev e r yi m p o r t a n t t om a i n t a i nt h es u i t a b l eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r eo f g a s 0 1 i n ee n g i n ec o m p o n e n t s t h i s c a ne n s u r ei t s w o r kr e l i a b i l i t ya n dg o o d p e r f o m a n c e ，a n da l s oi m p o r t a n t t oa c h i e v ee m i s s i o nr e d u c t i o nt a r g e t s t h i sp a p e ri sb a s e do nt h es e c o n dp h a s e 9 8 5 o fh u n a n u n i v e r s i t y 。d e s i g na n d m a n u f a c t u r eo fa d v a n c e dt e c h n o l o g ya u t o m o t i v et e c h n o l o g y i n n o v a t i o np l a t t o m ( t e a c h i n g sl e t t e r 【2 0 0 4 n o 1 ) i no r d e r t oi m p r o v et h eg a s o l i n ee n 9 1 n e sp o w e r p e r f o m a n c e ，f u e le c o n o m y ，e m i s s i o np e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t y a n dd u r a b i l i t y t h e m a i n w o r ki sa sf o l l o w s ( 1 ) e q u a t i o no fg a s o l i n ee n g i n ec o o l i n gw a t e r h e a tb a l a n c eh a sb e e ne s t a b l l s h e d t h e nf a c t o r sa f f e c t i n gt h eh e a tt r a n s f e rh a v eb e e na n a l y z e d i t c a np r o v l d eag o o d t h e o r e t i c a lb a s i st ot h ee n g i n ec o o l i n gw a t e rd e s i g n 【2 ) af o u r - c y l i n d e rg a s o l i n ee n g i n ec o o l i n gw a t e rf l o w f i e l dh a sb e e ns i m u l a t e d a n da n a l v z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i s f o u rc y l i n d e rg a s o l i n ee n g m ec 0 0 1 1 n go f d e s i g nq u i t et ob er e a s o n a b l ej a c k e tb y t h ea n a l o gc o m p u t a t i o na n a l y s i s ，a n dc a n m e e t h ec o o l i n ge f f e c tt h a td e s i g nr e q u i r e m e n t s ，b u ta l s oh a st h ep l a c ew h i c hn e e ds o m e o p t i m i z e i ti sn e g a t i v et ot h ec o o l i n go f l o c a lp a r t w a t e ra m o u n to nt h ee x h a u 8 t v a i v e s i d eo fc y l i n d e rh e a di sl o w ，a n di t i sa l s on e g a t i v et ot h ec o o l i n go ft h i sp a n t h e p r e s s u r el o s si sl a r g eo nc y l i n d e rh e a da n de n g i n ec y l i n d e rg a s k e t i 3 ) t oc o u n t e rt h ep r o b l e m se x i s t i n g i nt h ec o o l i n gj a c k e t ，t h ec o r r e s p o n d l n g p r i o r i t i z a t i o ns c h e m eh a s b e e np u tf o r w a r d f i r s t ， i n c r e a s ew a t e rh o l e sd l a m e t e r b e t w e e nt h ef i r s ta n ds e c o n dc y l i n d e rt oi m p r o v et h ec o o l i n gc a p a c i t yo t t h i sa r e a s e c o n d m o v et h ei n t a k ev a l v es i d ew a t e rh o l ep o s i t i o no f t h i r da n df o u r t hc y l l n d e rt o t h eo u t l e ts i d e t h i sc a na v o i dt h ei m p a c to f t h ew a t e ra r o u n dt h i sa r e aa n dp r e v e n t t h e f o 眦a t i o no fd e a df l o w a tl a s t ，i n c r e a s et h ew a t e rh o l ed i a m e t e ro fe x h a n s t s i d et o s t r e n g t h e nt h ec o o l i n gc a p a c i t yo ft h i s a r e a t h eo p t i m i z e dr e s u l t ss h e wt h a t t h e c o o l i n gw a t e rja c k e tc a l la c h i e v e ab e t t e rc o o l i n ge f f e c t k e vw o r d s ：g a s o l i n ee n g i n e ；c o o l i n gw a t e rja c k e t ；c f da n a l y s i s ；o p t i m l z e 1 1 i 汽油机冷却水套性能数值模拟与优化研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书”i 摘要i i a b s t r a c t i 插图索引 附表索引“ 第1 章绪论。l 1 1论文研究的目的和意义1 1 2 发动机冷却水套研究现状2 1 2 1 发动机冷却水套国外研究现状3 1 2 2 发动机冷却水套国内研究现状4 1 3课题来源及本文的主要内容一5 1 4 课题研究方法及技术路线6 1 4 1 研究方法6 1 4 2 技术路线6 1 5 本章小结7 第2 章汽油机冷却水套热平衡和设计要求8 2 1 汽油机的热平衡8 2 2 汽油机冷却水套的冷却与传热1 l 2 3 汽油机冷却水套的设计原则1 3 2 3 1 缸盖冷却水套的设计原则一1 3 2 3 2 机体冷却水套的设计原则1 4 2 4 汽油机冷却水套热平衡分析与设计原则实例”1 5 2 5 本章小结15 第3 章汽油机冷却水套性能数值仿真研究1 6 3 1 计算流体动力学简介k 1 6 3 2 流体动力学控制方程“1 7 3 2 1 连续方程( 质量守恒方程) 1 7 3 2 2 动量守恒方程1 7 3 2 3 能量守恒方程”1 8 3 3 湍流方程模型1 9 3 4 控制方程的离散方法2 1 3 4 1 有限元法2 1 3 4 2 有限差分法“2 2 i v 工程硕士学位论文 3 4 3 有限体积法2 2 3 5 边界条件及初始条件2 2 3 5 1 进出口边界条件! 2 3 3 5 2 壁面边界条件2 3 3 5 3 初始条件2 3 3 6 冷却水套数值计算流程2 4 3 7 本章小结2 5 第4 章汽油机冷却水套三维c f d 分析2 6 4 1s c t c t r a 软件介绍”2 6 4 2 汽油机主要参数2 8 4 3 汽油机冷却水套几何模型的建立2 9 4 4 汽油机冷却水套的网格模型的建立3 0 4 5 边界设定3 2 4 5 1 入口边界条件3 2 4 5 2 出口边界条件3 2 4 5 3 壁面边界条件一3 2 4 5 4 初始条件”3 2 4 6 计算控制3 3 4 7 计算结果与分析3 3 4 7 1 冷却水套的整体分析“3 3 4 7 2 速度场分布3 9 4 7 3 缸垫水孔流量分布“4 4 4 7 4 冷却水套分析结论”4 5 4 7 5 本章小结”4 6 第5 章汽油机冷却水套优化及分析4 7 5 1冷却水套优化改进方案4 7 5 1 1 优化后冷却水套的整体分析“4 7 5 1 2 优化后速度场分布5 3 5 1 3 优化后缸垫水孔流量分布5 7 5 1 4 优化改进方案c f d 分析总结5 8 5 1 5 本章小结”5 8 结论与展望5 9 参考文献一6 l 致 射6 5 v 汽油机冷却水套性能数值模拟与优化研究 插图索引 图1 1 技术路线流程图”7 图3 1 三维数值模拟方法及相应的湍流模型2 0 图3 2 水套模拟计算流程图2 4 图4 1s c t e t r a 外观2 6 图4 2s c t e t l 8 主界面2 7 图4 3 缸盖水套几何模型图2 9 图4 4 缸盖水套几何结构的底平面结构2 9 图4 5 缸体水套几何模型图“3 0 图4 6 汽油机水套整体模型图3 0 图4 7 汽油机水套表面网格3 1 图4 8 汽油机水套体网格3 1 图4 9 汽油机水套体网格局部放大图3 2 图4 1o 残差曲线图3 3 图4 1 1 冷却水套总体速度分布云图( 俯视图) 3 4 图4 1 2 冷却水套总体速度分布云图( 进气侧) 3 4 图4 1 3 冷却水套总体速度分布云图( 排气侧) 一3 4 图4 1 4 缸盖冷却水套总体速度分布云图3 5 图4 1 5 缸体冷却水套总体速度分布云图3 5 图4 1 6 缸盖冷却水套表面换热系数3 6 图4 1 7 缸体冷却水套表面换热系数3 6 图4 1 8 冷却水套表面换热系数( 排气侧) “3 6 图4 1 9 冷却水套表面换热系数( 进气侧) 3 7 图4 2 0 冷却水套表面换热系数( 俯视图) 3 7 图4 2 1 冷却水套缸盖总体压力云图3 8 图4 2 2 冷却水套缸体总体压力云图3 8 图4 2 3 冷却水套总体压力云图( 排气侧) 3 8 图4 2 4 冷却水套总体压力云图( 进气侧) 3 9 图4 2 5 冷却水套总体压力云图( 俯视图) 3 9 v l 工程硕上学位论文 图4 2 6 冷却水套流速矢量图( 排气侧) 4 0 图4 2 7 冷却水套流速矢量图( 进气侧) 4 0 图4 2 8 冷却水套流速矢量图( 俯视图) 一4 0 图4 2 9 水套截面位置示意图4 1 图4 3 0 水套a - a 截面速度矢量”4 1 图4 3 1 水套b - b 截面速度矢量4 2 图4 3 2 水套c - c 截面速度矢量4 2 图4 3 3 水套d - d 截面速度矢量一4 2 图4 3 4 水套e - e 截面速度矢量“4 3 图4 3 5 水套f - f 截面速度矢量4 3 图4 3 6 水套g - g 截面速度矢量- 4 3 图4 3 7 缸垫水孔布置图4 4 图4 3 8 缸垫水孔流速图4 4 图4 3 9 缸垫上水孔流量图”4 4 图4 4 0 缸垫水孔流量占总流量的百分比4 5 图5 1 优化方案缸垫水孔分布图4 7 图5 2 优化后冷却水套总体速度分布云图( 俯视图) 4 8 图5 3 优化后冷却水套总体速度分布云图( 进气侧) 4 8 图5 4 优化后冷却水套总体速度分布云图( 排气侧) ”4 8 图5 5 优化后缸盖冷却水套总体速度分布云图一4 9 图5 6 优化后缸体冷却水套总体速度分布云图”4 9 图5 7 优化后缸盖冷却水套表面换热系数4 9 图5 8 优化后缸体冷却水套表面换热系数5 0 图5 9 优化后冷却水套表面换热系数( 排气侧) “5 0 图5 1 0 优化后冷却水套表面换热系数( 进气侧) 5 0 图5 1 1 优化后冷却水套表面换热系数( 俯视图) 5 1 图5 1 2 优化后冷却水套缸盖总体压力云图5 1 图5 1 3 优化后冷却水套缸体总体压力云图5 2 图5 1 4 优化后冷却水套总体压力云图( 排气侧) 5 2 图5 1 5 优化后冷却水套总体压力云图( 进气侧) 5 2 图5 1 6 优化后冷却水套总体压力云图( 俯视图) 5 3 i 汽油机冷却水套性能数值模拟与优化研究 图5 1 7 优化后冷却水套流速矢量图( 排气侧) 5 3 图5 1 8 优化后冷却水套流速矢量图( 进气侧) 5 4 图5 1 9 优化后冷却水套优化后流速矢量图( 俯视图) 5 4 图5 2 0 优化后水套a - a 截面速度矢量5 5 图5 2 1 优化后水套b - b 截面速度矢量5 5 图5 2 2 优化后水套c - c 截面速度矢量“5 5 图5 2 3 优化后水套d - d 截面速度矢量5 6 图5 2 4 优化后水套e - e 截面速度矢量5 6 图5 2 5 优化后水套f - f 截面速度矢量5 6 图5 2 6 优化后水套g - g 截面速度矢量5 7 图5 2 7 优化后缸垫上水孔流量图5 7 图5 2 8 优化后缸垫水孔流量占总流量的百分比5 8 v i 丁程硕士学位论文 附表索引 表2 1 热平衡的各项数值范围4 7 】“9 表2 2 冷却水套热平衡分析与设计原则对比1 5 表3 1 标准后一s 两方程经验常数2 l 表3 2 汽油机冷却水套c f d 分析的几种计算边界条件2 3 表4 1 汽油机基本参数2 9 工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 发动机是一种热能动力机械，是工业、农业等生产中的主要动力机械之一， 被广泛应用在桥梁、船舶、汽车、铁路、农业、建筑等领域。随着科技的不断进 步和发展，发动机的强化程度逐渐提高，其热负荷也将随之增加。发动机的热负 荷在很大程度上决定发动机的经济性和可靠性。从经济性方面来考虑，零件承受 的温度越高，冷却带走的热量越少，热损失就越少，发动机的热效率就越高，但 零件的热负荷就越高。当零件的热负荷超过零件所能承受的限度时，零件的热疲 劳强度将会下降，并产生裂纹、烧熔等现象，可能导致发动机不能可靠地工作， 缩短发动机的使用寿命。发动机运转时，最高燃烧温度可能高达2 5 0 0 0 c ，即使 在怠速或中等转速情况下，燃烧室的平均温度也在1 0 0 0 0 c 左右。因此，与高温燃 气接触的发动机零件受热恶化，使发动机充气效率降低，燃烧变差，机油变质， 润滑油膜厚度变薄，零件的强度降低，零件的磨损加剧，最终导致发动机动力性、 经济性、可靠性及耐久性的全面下降。但是，如果冷却过度，不仅浪费了热量， 而且还会引起各种不良后果。不论是过度冷却还是冷却不足，均会使散热损失及 摩擦损失增加，零件磨损加剧，会导致汽油机混合气形成不良，柴油机工作粗暴， 使发动机功率下降及燃油消耗率增加【2 】。冷却液温度的变化同时还会影响到发动 机有害排放物的产生，使排放达不到相关的国标要求【3 1 。因此，必须为发动机设 计一套维持其处在最佳工作状态的冷却系统，以便将零部件吸收的多余热量及时 传导出去，使发动机维持正常稳定的工作，从而获得最佳性能【4 1 。对于现有的发 动机，可以通过热平衡试验，确定其燃烧放热的总热量中传给冷却液和润滑油的 那部分热量。国内外的热平衡计算和试验结果表明，发动机传给冷却介质的总热 量，约占燃料燃烧所释放热量的2 0 一3 0 。这个对于不同类型的发动机是不尽 相同的。汽车柴油机为2 5 3 0 ，汽车汽油机为2 0 一2 8 。在冷却液带走的全 部热量中，其中活塞散发出去的约占3 3 3 8 ( 活塞传给缸套，再传给冷却液) ， 而由发动机缸盖散发出去的热量约占5 0 【5 】。如果从提高发动机热效率的角度出 发，希望通过冷却系统散热尽可能少，但这必然受到零件可靠性的限制，这两者 之间存在矛盾。为兼顾这两方面的要求，必须优化冷却系统设计。 发动机的冷却系统主要包括：冷却水泵、散热器、节温器、补偿水桶、冷却 水套和风扇等几部分【2 】。冷却系统的冷却效果是否好，功率消耗是否低，可以从 如下三个方面来衡量：一是冷却系统各部件设计是否合理高效，研究工作包括散 热器结构的改进，水泵叶片结构的改进，风扇效率的提高等。二是发动机本身结 汽油机冷却水套性能数值模拟与优化研究 构的合理性，是否能在保证发动机可靠性与动力性等的前提下，尽可能减小对散 热的要求，包括发动机冷却水套的结构，冷却气流的通风条件，排气管的安装位 置等。三是冷却系统各部件的匹配是否合理【6 1 。其中冷却水套起着非常重要的作 用，因为它直接与冷却液接触，引导冷却液的流动，并与之进行热量交换，然后 由散热器将多余热量传递到外界环境。冷却水套结构设计的好坏直接决定了发动 机的热效率，高温零部件的热负荷以及热量分配和能量利用。在冷却水套内不发 生沸腾的强制对流换热情况下，冷却水的换热强度取决于流动速度和均匀性【7 1 。 从流体流场的角度而言，一方面合理的水套结构可以加强对高温区域( 如进、排气 门座与喷油器之间的鼻梁区) 的流动以及强化传热，降低这些区域的热负荷，从而 有效地提高发动机的可靠性和耐久性；同时也可以适当的降低进气温度，提高充 气效率，从而改善发动机的经济性和排放性。另一方面可以减少水套的流动阻力， 进而降低冷却系统部件( 如散热器、水泵、风扇) 的功率消耗，这将对提高发动机 的动力性十分有利【耻1 9 】。因此，研究发动机冷却水套的冷却能力，是保证发动机 正常运行，提高其综合性能的重要措施。 1 2 发动机冷却水套研究现状 冷却水套是发动机传热过程的重要组成部分，冷却水套内冷却介质的三维流 动会直接影响发动机冷却系统的工作能力，进而影响整机的综合性能；尤其对高 强化多缸发动机，保持各缸冷却的均匀性十分重要，这个关系到发动机动力性、 经济性、排放性、可靠性和耐久性。因此，国内外的发动机研究人员对此高度重 视，采用了多种研究方法和手段来提高发动机冷却水套的冷却能力。目前，主要 采用试验研究和数值模拟两种方法对发动机冷却液流速、压力以及整个冷却水套 内流场分布进行研究。就试验研究方面来说，主要是通过水套内冷却液的流速和 压力测量，从宏观上了解冷却介质的流动情况。如。利用壁面轨迹法、示踪法获 得冷却介质在水套内的流量分配【l4 1 ，采用皮托管法、热线法和热膜流速法获得水 套内热负荷较高区域的速度参数。而从微观上研究水套中冷却介质的三维流动情 况，目前较先进的测量手段是利用激光多普勒技术，这个可以为水套设计以及数 值模拟提供可靠的试验依据。试验手段虽然能够提供相关的数据信息，并可以对 水套的冷却能力做出评价，但是，由于发动机冷却水套被完全封闭于发动机内部， 冷却介质流动机理也十分复杂，这使得仅仅通过试验方法无法全面了解水套内部 冷却介质的真实流动情况。而且整个试验过程周期较长，需要消耗较多的人力和 物力，从而导致成本的大幅增加【2 们。即便如此，试验研究作为一种有效的研究手 段目前仍然被广泛的采用。 近年来，随着流体力学和计算机技术的不断发展，计算流体力学的应用领域 不断扩大。计算流体力学c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 分析方法越来越多 2 工程硕士学位论文 的应用到发动机冷却水套的研究上。这是一种非常有效的研究手段，c f d 利用相 应的数值计算方法求解数学方程，预测质量传递、热量传递、动量传递、化学反 应以及相应的物理现象，是目前用于解决三维流动问题的重要手段，c f d 对流场 的控制方程采用计算数学的算法，将其离散到一系列网格节点上，求其离散数值 解，是目前研究水套三维流动问题的重要手段【2 1 2 4 1 。以前需要通过大量试验得到 的冷却水套流动信息、流动情况等可以通过模拟计算获得。与试验数据相比较， 计算结果的准确性和可靠性比较令人满意，可以满足工程应用的要求，同时可以 节省大量的时间成本和经济成本【2 5 ，2 6 1 。 通过对发动机冷却水套的结构参数与计算结果进行分析，可以发现水套性能 随结构参数变化的规律，找出影响冷却水套性能的主要因素，从而可以从理论上 对试验工作进行指导，减少试验的盲目性。并可获得大量的试验不能测量或难于 测量的结果，模拟计算是试验研究的一个重要补充，且便于对水套结构和相关参 数进行优化设计，找出最佳的结构方案。 1 2 1 发动机冷却水套国外研究现状 国外在冷却水套基本理论研究、相关软件开发与商业推广、技术与工程实际 的结合于应用等方面起步较早，投入较高，已获得了绝对领先的技术水平。1 9 3 3 年，英国人t h o m 首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方程，c f d 技术由此产生。1 9 7 4 年，丹麦的n i e l s e n 首次将c f d 用于暖通空调工程领域，对 通风房间内的空气流动进行模拟，之后短短的2 0 年内，c f d 技术得到迅猛发展。 二十世纪九十年代中期，国外已经有人开始尝试用计算流体力学的方法来模拟发 动机缸内冷却液的流动【2 7 ，2 8 1 ，然而，由于受到当时计算机容量的限制，流体力学 软件的发展刚起步不久，还是在计算机上做了较大的简化，这只是尝试性的研究 探索，文献 2 4 】通过简化的冷却水套试验模型与其对应的计算模型的数值模拟结 果的比较，证明了用计算流体力学的方法获得的冷却水套的速度场与实验结果吻 合较好，指明了缸内冷却液流动数值模拟结果的可靠性较高。文献 2 8 】则指出对 缸体冷却水套的传热模拟的预测会出现很大差异，认为是计算网格密度和质量不 够所致。 2 0 世纪9 0 年代中后期至今，计算机硬件水平得到很大的提高，计算流体力 学也随之得到了较快的发展。随着世界范围内汽车行业竞争的日益激烈，生产厂 家需要不断推出新产品和完善现有产品来占领市场，这就要求缩短设计、改进周 期的同时提高设计精度和产品可靠性，以往采用“样机一进行试验一改进设计 的设计模式已经无法满足市场需要，要实现上述要求，必须充分利用计算机资源， 加强对计算机模型的开发完善，用数值结果来指导设计。c f d 分析在内燃机领域 的大量研究成果显示出它在汽车行业部件及整体设计过程中的优势，今后也必将 3 汽油机冷却水套性能数值模拟与优化研究 得到更为广泛的应用。 国外研究表明，c f d 分析自身所具有的成本低、速度快、资料完备且可模拟 各种不同工况的特点，在冷却水套的数值计算过程中得到了充分的体现。 国外在对发动机气缸盖上的温度分布和水腔流动均进行了相关的研究【2 9 钉， 2 0 0 2 年e t e m a d ，s 通过c f d 并结合测量的方法对发动机冷却水流动进行了较为 深入的研究。2 0 0 8 年，s t e f a nt r a m p e r t 等人利用计算分析软件，通过编写程序， 建立材料模型并对缸盖热疲劳进行了评估。2 0 0 0 年k e n j i o k u m r a t 3 6 】通过c f d 模拟 计算，对比分析了四面体网格和三棱柱体网格的尺寸和厚度对冷却水套压力损失 和换热系数的影响，建立了适合水套计算的网格划分方法。2 0 0 2 年s a t h e e s h m a k k a p a t i 3 7 】等通过进行v 8 发动机冷却水套的试验研究，对c f d 模拟计算结果 进行了验证，建立了试验与c f d 计算之间的联系；并且从试验结果与计算结果比 较中得出结论，c f d 的平均流速以及湍流强度的计算结果与试验数据偏差较小。 2 0 0 3 年，s t e p h e ns h i h t 3 8 】等为了提高发动机的抗爆震性能，利用c f d 软件对一台 汽油机水套进行了模拟计算，采用了不同的冷却水流动方案，取得了令人满意的 结果。j i a ny e ”】等在2 0 0 4 年对赛车发动机的冷却水套进行了分析研究，并通过 优化水孔的尺寸和位置，提高了水套的整体冷却能力。c f d 技术在国外得到了广 泛的应用，对于冷却水套内的流场分析和单个零部件的热负荷分析都得到了广泛 的发展，获得了领先的技术水平。 近几年来，世界上许多先进的汽车生产厂家和技术咨询公司提出了“零样车” 的设计开发理念。也就是在整车和发动机开发工程中，充分发挥一维和三维c f d 等计算分析手段的作用，实现数值计算和设计同步，降低设计成本，保证产品的 质量。当然“零样车 设计趋势是基于有大量试验数据作基础的。在与试验结果 多次比较后，数值计算的相关参数得到了较准，积累了计算经验，这样就为今后 类似的数值模拟计算奠定了基础，在以后的设计开发过程中，就可以减少或不用 试验来验证，而是通过数值计算的手段直接解决问题。 1 2 2 发动机冷却水套国内研究现状 近十几年来，c f d 技术在国内应用越来越广泛，其重要性已经到了国内工程 单位以及高校科研单位的高度重视，并掀起了学习、应用c f d 的高潮。但国内 c f d 的应用水平还远落后于国外，虽然取得了较快的发展和进步，但我们的应用 水平还较低，c f d 的应用范围也没有国外广泛。在发动机设计中，c f d 模拟计算 与分析目前大多重点放在了气道流场、缸盖冷却水流场、发动机散热系统、缸内 燃烧过程等单件零部件的模拟。从发表的论文及相关资料上来看，国内高校与很 多企业在c f d 冷却水套计算、分析仿真方面做了大量非常有效的工作。如1 9 9 4 年王书义、王宪成、段初华【1 7 】等人对发动机冷却水三维流动进行数值模拟基础研 4 工程硕士学位论文 究，应用s i m p l e 方法对具有发动机冷却水腔复杂形状的箱体内的水进行了三维 流动模拟计算，是深入研究实际发动机冷却水三维流动数值模拟的基础，但对复 杂三维流动的计算只是处于初步研究阶段。2 0 0 0 年武汉理工大学的常思勤 1 6 】等人 开发了计算发动机冷却水三维流动的软件，计算了冷却水套的流动情况，但未考 虑传热及复杂结构的影响，只对单独的简化模型进行了数值模拟。2 0 0 1 华南理工 大学的屈盛宫、黄荣华、孙自树等【1 9 】采用流动显形法对典型增压柴油机气缸盖进 行水流分布试验，得到冷却水在缸盖中的二维流场。然后进行c f d 分析，针对高 强度的发动机缸盖冷却问题进行了深入研究。一汽集团公司技术中心与吉林大学 的刘巽俊、陈群、李骏【4 0 】等人在2 0 0 3 年在内燃机学报上发表的车用柴油机冷 却系统的c f d 分析中，利用计算流体力学商用软件f l u e n t 对c a 4 9 8 柴油机 的冷却水套进行了模拟，给出了整机冷却水套内冷却液的流场、温度场、传热系 数分布和压力损失。2 0 0 4 年，董春波等【4 1 】对分体式柴油机水套进行了c f d 模拟 计算，并且介绍了缸盖水套结构调整的基本原则及其计算网格的选取方法，并对 三种方案的缸盖水套流场进行了分析，指出进一步减小沿进气道侧、两缸相邻区 域连接截面的面积可以显著减少此区域的冷却液流量，同时在缸盖底部加导流盘 可以取得更好的冷却效果。2 0 0 5 年，张强、李娜、王志明【4 2 】对w d 6 1 5 普及型欧 排放柴油机的冷却水腔进行了c f d 模拟，对冷却水腔的整体流动均匀性和整机 压力损失进行了分析评估，并对缸盖火力面、喷油器安装孔和排气道周围冷却水 腔的冷却液流速和换热系数进行了详细分析。2 0 0 6 年，无锡油泵油嘴研究所的夏 兴兰、王胜利、陈大陆【4 3 】针对某三缸发动机在试验中出现的“拉缸现象，应用 s t a r c d 软件对该机冷却水套中的流场和温度场进行分析，发现水套中存在大范 围的低流速区和高温区，通过调整气缸垫中机体通往缸盖分水孔的大小和分布设 计了改进方案。2 0 0 7 年，广西玉柴机器股份有限公司李湘华【4 4 】利用a v lf i r e 软 件，对某四缸柴油机机油冷却水套模型及三种改进方案进行了三维c f d 计算，显 示并比较了各方案下冷却器板间流动速度矢量，同时给出了各改进方案的改进效 果。