发动机冷却水套设计方案的比较分析

1、 套初始方案进行CFD计算,分析速度场、压力场、流量分配及换热结果,然后根据该结构水套流场的不足,提出优化方案,并对优化方案进行计算分析,最终确定较理想的水套结构方案。1发动机冷却水套的CFD模拟1.1计算原理本文所进行的发动机水套三维CFD分析过程中认为冷却液在水套内的流动状态是绝热、不可压缩的粘性湍流流动,计算中需要求解的连续性方程、动量方程、能量方程以及湍流模型方程,对于不可压缩流体上述方程的一般表达式如下:连续性方程:vV=0(1动量方程(NS方程: lD譬=谚一V p+产矿(2能量守恒方程:鳓舒=西+kAT+Pq(3式中y速度矢量;F作用在流体上的质量力,在重力场中,F=罾;p压力;

2、1口流体动力粘度;c。流体的比热容;卜流体温度;西能量耗散函数,西=22;流体的变形率张量;后流体的导热系数;口热辐射等其他方式传入的热量。 湍流模型选用能够满足工程计算精度要求的k e湍流模型,但由于ke湍流模型只适用于求解完全湍流情况下的流动,而壁面的存在会对湍流造成很大的影响,为了更准确的模拟壁面对流体的影响,采用标准壁面方程【7来模拟这一影响:U=-L。其中:u *兰.丝l n 毕(E y U p :,l /4i/2z:w/P得到Y*;匹:,出1/41/2式中,fvon K6rm6n常数,取0.42;E经验常数,取9.81;跏流体在P点的平均速度流体在P点的湍流动量;扎流体中P点到壁面

3、的距离;C。常数,取0.09;%壁面剪切应力。1.2三维几何模型该发动机缸体和缸盖水套的初步设计方案为分体式冷却结构,本文计算的冷却水套几何模型包括缸体水套、缸垫水孔、缸盖水套,具体形式如图1所示。水流从总入口进入水套,一部分流体通过位于第一缸的上水孔进入缸盖水套,冷却缸盖后由出水管1流出,而其余流体则顺次流过各缸体水套,并通过位于第四缸上水孔流入缸盖出水管2,随后流体在两出水口处汇合后进入节温器。为了简化计算,本文忽略了循环水泵对水套内冷却流体流动的影响。图1水套几何模型1.3划分网格网格划分的质量是影响数值计算的重要因素,由于发动机结构复杂,为了保证得到较高的网格质量,本文采用应用广泛、划

4、分方便的四面体非结构化网格。另外,为了保证模拟计算的精度,对关键位置处网格细化,并且在近壁面处增加了边界层网格。总体网格数约为232万,节点数约66万,网格模型如图2所示。(4图2水套计算模型厂气、71.4边界条件及算法r小本文水套设计的水量为160L/min,冷却液选用45%水和55%乙二醇的混合液。利用商业软件Flu.ent进行模拟计算,边界条件:入口采用流量入口条件,出口采用自由出流条件,壁面条件设为绝热,即研究冷态流体的单纯流动。按照稳态方法进行计233算,模拟过程采用非耦合隐式算法求解,二阶迎风格式。在模拟过程中求解如前所述的连续性方程、动量方程、能量方程以及标准ke湍流模型方程。1

5、.5结果分析图3a为优化前缸体水套流场速度矢量图。根据国外CFD计算经验,在负荷较高区域冷却水流速高于0.5m/s县O可满足冷却要求。图中深蓝色区域为流速低于0.5m/s的区域,从图中可以看出缸体水套大面积流速过低,尤其在进气侧更加严重,从图4流量分配示意图中可以看出进气侧水流量分配很低,这个结果与速度场的结果是一致的。为了改善这种状况,应该在水套人口处增加导流结构,使进气侧与排气侧流量分配比例相当,从而减少两侧流场的差异。另外缸体水套水流断面过大也是造成流速过低的重要原因,因此在之后优化水套结构时应尽量减小水套的横断面积,使流场在现有流量不变的前提下提高流速。另外缸体在每缸之间的水套冷却桥中

6、,出现流动涡旋,这是因为该处流道的人口与出口流通面积小而中间流通面积大,压力有突然变化,而且底面形状不规则造成的,但是由于加工方法的原因,此处结构形状不能进行更改,但是可以对水套其他部位结构进行优化,使进入冷却连桥的水量有一定的增加,进而使此处的冷却达到要求。图3b为缸盖水套下表面流场速度矢量图,从图中可以看出,缸盖在负荷较大的鼻梁区、排气道附近,流速较高,流场分部较合理。图3水套流场速度矢量图(ns-.348%图4水套流量分配示意图图5为整机水套总压云图,整机水套总压降约234为53kPa,根据水套的设计经验可知,现有水套方案的整体压降比较合理。从图中可以看出缸盖压降较大,其压降水平对整机水

7、套压降影响较大。因此在优化设计时,对机体水套结构的合理调整,不会使整机水套压降增加很多。图5整机水套总压云图(Pa图6缸体水套内表面传热系数云图(W/(m2图7缸盖水套下表面传热系数云图(w/(m20C图6为缸体水套内表面换热系数云图。一般认为,水套热负荷较高区域的传热系数在5000W/(m20C以上即可满足冷却要求。从图中可以看出排气侧各缸的传热系数较高,能够满足适度冷却的要求,但是进气侧2、3、4缸明显传热系数较低,在实际运行过程中会造成冷却不足,传热系数的结果与速度场的计算结果相一致。图7为缸盖下表面传热系数云图,为了使云图表达得更加清楚,显示范围的上限控制在了12000W/(m2,从图

8、中可以看出, 缸盖整体传热系数较高,能够满足缸盖冷却的要求。2机体水套优化设计处流速得到适当的降低,避免了b处的过度冷却。2.1优化方案由以上结果分析可知,应采取措施加强缸体水套内低流速区冷却液的流动。考虑到进排气道两侧冷却液流量分配不均造成的速度场分配不均的问题,得到如表l所示的方案1的优化结构,水套下端的导流凸台,起到了控制进排气道两侧冷却液分配比例的作用,抬高此凸台并且在之后加一根导流筋,可以使从水泵流出的冷却液一部分被阻挡,改变流动方向,转向进气道一侧,此为方案l。考虑到原模型缸体水套较长,增加了铸造和加工的难度,而且缸体下端对冷却的要求也不很高,由此提出短缸体水套方案,同时为了使两缸

9、之间的冷却连桥起到冷却图8优化方案缸体水套内表面流速矢量图(m/s作用,必须保证有一定的冷却液从连桥处流过,因此图9为各优化方案缸体水套内表面传热系数云在进气侧加了三根导流筋,通过筋的挤流和导流作图,其优化效果与流场变化是一致的,短水套的方案用提高连桥处高负荷区的水套内冷却液流速,此方总体上优于长水套方案,而且方案3在图中a处的案定为优化方案2。在方案2的基础上只保留后两冷却效果要优于方案2。个连桥的导流筋,并加大筋的高度,使导流的作用进一步加强,此方案定为优化方案3。具体的优化方案形式见表1。表1缸体水套优化方案耋喜几何模型说明2.2优化方案CFD结果比较本机冷却水套为分体式冷却形式,此种结

10、构的缸体、缸盖水套的相互影响较其他形式的水套要小,并且通过计算发现结果也是如此的,因此由于篇幅限制,本文不再列出三种优化方案中缸盖水套的CFD结果,而只对缸体水套的结果进行分析。图8为各优化方案缸体水套内表面流速矢量图,从图中能够明显看出方案2、3的流场优于方案1。比较方案2和方案3可知,方案3由于提高了导流筋的高度,使流场在图中a处流速得到提高,而在图中b图9优化方案缸体水套内表面传热热系数云图(W/(矗图10为各优化方案整机水套总压云图,从图中可以看出3种优化方案总压变化不大,但由于增加了导流结构个数及尺寸,使局部阻力增大,另外整体流场流速增加,致使总的压力降成递增趋势,但仍然在较合理的范

11、围内,具体的数值可见表2。表2中的数据为优化方案中一些特定位置处CFD计算结果的面平均值,可以看出,方案3在缸体表面处传热系数较大,冷却效果较好,冷却连桥的平均传热系数稍低于方案2,但其进、排气道两侧及冷却连桥处的流量分配较合理,虽然总压降稍有增大,但考虑到水套的冷却性能,方案3的结构还是较优的。(下转第282页 235。(2定期清扫烟道内表面,减小烟气的阻力损3结束语失。一一(3炉墙和炉门,看火孑L,出灰门,省煤器的管端之间在使用一段时间后,都容易产生缝隙而漏人空气,使过剩空气量增大,形成过量的烟气从烟中逸出,带走大量的热量,增加热损失,降低热效率。因此,要经常检查上述各处的漏风情况,如果发

12、现裂缝应及时嵌缝修补。(4敷在锅炉本体和汽水管路上的保温层经过一段时间的运行以后可能脱落,使散热量增加,既损失热量又增加锅炉房的温度,有时候可能会烫伤人。若发现保温层脱落,必须及时修补。锅炉节能,任重道远,只要基层管理人员时刻用节能、环保、安全、经济的思想去指导工作,司炉工能够做到不断熟悉锅炉性能和特点,摸索运行规律,掌握操作要领;不断改进操作方法,提高和灵活运用操作技能,就一定达到提高锅炉的热效率,达到锅炉经济运行与节能的目的。参考文献1赵钦新,等.工业锅炉安全经济运行M.北京:中国标准出版社,2003,324336.2辛广路,等.锅炉运行与操作指南M.北京:机械工_k出版社,2006,24

13、8249.(上接第235页图10优化方案整机水套总压云图(Pa表2优化方案结果比较注:表中负号“一”代表平均Vy方向与Y轴相反。3结论CFD计算目前已经成为发动机水套设计及优化的主要工具,其结果的可信性已经得到了验证。本282文利用Fluent软件对某发动机水套的初步方案进行了计算,对计算结果分析后,提出了三种优化方案,随后对优化方案进行计算、比较,综合各方面因素后,认为方案3的流场分布较均匀,冷却性能较好。从优化结果可以看出,导流凸台和导流筋在水套结构优化的过程中起着重要的作用。本文水套流场的计算所得的速度场、传热系数、压力场等信息,不仅可以方便地对各种优化方案进行比较,从而快速地确定水套的优化结构,而且还可以将结果输出到有限元计算软件中,用于计算发动机机体温度场及热应力,实现流一固耦合计算,从而使发动机热分析的结果更加真实、可信。本文主要介绍该发动机水套的流场、压力场和传热系数的计算分析,限于篇幅,机体、缸盖的温度场分析和热应力分析另文介绍。参考文献1NgySmmAp,Michelle