CFD技術在汽車發動機冷卻水套優化設計中的應用研究

[摘 要]當今社會科學技術的進步，為人們的生活帶來了諸多便利，將軟件技術應用于汽車發動機械的冷卻水套的數值模擬，對模擬的結果精確分析，從而找出汽車發動機的冷卻水套中存在的問題，同時通過CFD軟件系統對發動機進行三維數值的模仿，并通過改善水套的冷卻效果，對水套的結構有效調整，不斷對發動機冷卻水套的系統優化，促使發動機具備理想的機內冷卻環境，通過CFD的計算結果確定冷卻水套的能力范圍，從而對汽車發動機進行優化設計。

[關鍵詞]CFD技術；汽車發動機；冷卻水套；優化設計

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2018.03.142

當前，隨著經濟社會的發展，汽車不斷更新換代，汽車市場競爭日益激烈，汽車種類不斷增加，汽車的性能也在不斷得到改善，汽車發動機是汽車的重要部分，發動機開發過程運用冷卻水套CFD分析計算技術，對這一技術的應用對發動機設備在熱負荷較高的排氣管道周邊設置冷卻液循環流動，對發動機減少壓力損失。通過系統分析影響發動機冷卻水套性能的原因，進而逐漸促進優化，節約發動機的研發成本。

1 CFD技術運用流程

1.1 劃分運算網格

CFD技術首先將司機需要計算的區域進行劃分和離散化，劃分網格的質量對計算的精確度和效率具有很重要的影響，CFD工程師在進行CFD技術分析時，劃分網格的比重就占據了4/5的比重，占據分析過程的一大半時間，劃分網格需要在物理平面的基礎上適應物理區域中各項參數變量的變化情況，對變化比較明顯且起伏比較大的網格分布區域盡量還要更細致化，而在變化相對平緩的區域劃分可以適當稀松一些，根據不同區域的情況劃分的特點不同，在提高分析的精確度的同時，對網格的數量盡量減少，縮短技術分析計算的時間，同時，根據邊界條件離散化的要求，網格劃分時應該盡量做到網格線與物理區域的邊界線的交叉分布，更方便邊界數值的計算，同時也能夠防止網格的變形，對CFD技術的計算數值的精確度加以提升。

1.2 控制方程的設立

通過對汽車發動機運作原理的研究會發現，物體流動會不斷受到物理守恒定律的影響和控制，基本的物理守恒定律主要是指質量守恒定律和動量守恒定律以及能量守恒定律等，控制方程式對基本的守恒定律的方程式描述，提供必要的計算方式，控制方程本質上屬于數學描述，對汽車發動機冷卻水套中CFD技術應用的模擬計算實質上是對控制方程求解的過程?？刂品匠痰木唧w求解可以表現為發動機的體積質量、時間、速度、通用變量、廣義擴散系數以及廣義源項等方面的關系計算，（ρφ）|t+div（ρuφ）=div（Гgradφ）+S其中，ρ表示發動機的體積質量，t表示時間，u代表速度，φ表示通用變量，既可以代表速度，也可以代表溫度等變量，Γ表示廣義擴散系數，在質量守恒方程中結果為零。

1.3 求解模式設置

汽車發動機冷卻水套的CFD技術分析主要采用的是迎風離散格式和1階隱式格式離散時間項以及速度耦合算法等求解參數，將冷卻水套的內部冷卻液主要設置為不可壓縮黏性湍流流動，其模型主要是 k—zeta—f 方程模型。其目的首先主要是使混合壁避免附近邊界層流體速度和壓力分布進行具體描述，而求解模式中設置邊界條件主要包括在出口邊界，應符合壓力出口大氣壓作為出口壓力的條件；其次還需要入口邊界的進口速率可根據缸體冷卻水套的冷卻液入口實際流量以及入口處的面積作為具體計算條件；最后發動機的壁面需運用具有防滑的作用，利用防滑性質的移固壁，盡量保持固體外表流體的速率為零。求解模式中的限制條件還可以包含水泵渦形腔進口邊界采用流量邊界條件，以及采取從油冷器流出進入缸體水套的進口等條件對求解模式進行控制變量后求解運算。

2 CFD技術計算結果分析

2.1 計算結果總體分析

在汽車發動機冷卻水套CFD技術的運用中，汽油機冷卻水流場中的速度場合溫度場以及壓力場等參數具有相互作用的關系，因此需要首先運用必要的流場參數，對流場中的各個參數加以總結對比。根據具體的發動機運作情況可以發現發動機在運作的過程中整個冷卻水套的速度場分布情況存在跟大差異，冷卻效果也存在著很大的不同。從發動機運作的原理上來說發動機冷卻水套屬于多缸機流動分配，這種流動分配的方式主要是從缸套進入通過一定的缸墊孔面積調整流入的具體流量，最后由缸頭流出，對具體的流量控制根據汽車的性能以及發動機的實際情況進行計算。這種調節要求越接近水套入口的時候氣缸端部的水流流量越大，這主要是因為，氣缸的冷卻水主要來自氣缸缸體，同時距離水套入口越遠的氣缸頭部通過的具體流入的流量就會越少，這是因為缸頭的冷卻水的流量來自源上游缸頭。

圖1 發動機冷卻水套多缸機流動分配

2.2 流動模擬化結果

首先，發動機冷卻水套中的冷卻液在進入之后，因進入之前所受到的水泵等其他因素的影響促使冷卻液的流動并不是單一的直線流動，主要是因為缸體冷卻水套外部存在的冷卻液不能夠完全沿缸體進行橫向、單一方向的流動，而是首先流到缸體下底面再流動到缸體的上方，這就使得冷卻液在水套外壁面的位置出現漩渦，這就直接對冷卻水套液體流動構成一定的阻力，冷卻液如果在冷卻水套外壁的流動速度降低就會對自身的冷卻效果不斷降低。其次，發動機缸體的冷卻水套也會受到溫度的影響，由于冷卻水套的溫度并不是均勻分布的，冷卻水套的排氣區域的氣溫高于其他區域的氣溫。最后，缸體冷卻水套頂平面及底平面的速度在不同的流動區域的速度也不相同，一般情況下，冷卻液在缸體水套的上頂部流動時速度是相當快速的。但是，當冷卻液到達缸體冷卻水套的下底部的時候，冷卻液的流動速率就會變得遲緩，甚至冷卻液的流動速度有可能會下降到零，而冷卻液在進氣一側的流動速率會一直低于排氣區域的流動速率。具體研究觀察可以發現發動機設備冷卻水套中的冷卻液在缸體頂端的流動速度高于底部流動速度。endprint

圖2 流動模擬化

3 CFD技術在汽車發動機冷卻水套優化方案

汽車發動機的模擬運行中可以發現，由于冷卻液在冷卻水套的首缸體外壁面容易產生漩渦狀況，會對冷卻水套內部的冷卻液的流動產生更大的阻力，造成冷卻液的流動速率不斷下降，對缸體外部的冷卻任務容易產生負面影響。同時在冷卻水套運行中的第四個缸體的部位明顯會出現較低的冷卻液流動，造成冷卻水套部分區域的熱量負擔加重，這便需不斷對發動機冷卻水套的設計優化和完善，促使冷卻水套的整體冷卻效果得以提升。其具體的效果主要包括將冷卻水套的冷卻液進水口的位置下降，以免出現嚴重的外壁漩渦現象，能夠促使冷卻液在冷卻水套的外壁面保持單線流動的狀態。同時調整冷卻液水孔的結構，由于冷卻水套排氣區域的圓形水孔處的冷卻液流量比較少，會使得冷卻水套排氣側其他部位的冷卻液流量同樣減少，因此要將這些水孔去除，同時對冷卻水套存在的26個氣孔一并予以去除，進而促進整個方案的優化。經過對修正過的汽車發動機冷卻水套設計優化測試，冷卻液的流動速率會增加，這對于改善冷卻效果是具有很大幫助的。

4 結 論

隨著科學技術的進步，我國機械設備的性能在不斷提升，同時各種關于流體計算軟件以及計算機技術多方面的應用，對CFD技術的完善和成熟具有重要的推動作用，當前 CFD 技術已經成為汽車發動機冷卻水套設計中運用的關鍵技術手段。通過采取 CFD 技術對發動機冷卻水套的冷卻能力進行有效的分析，不斷找出其中存在的問題和影響因素，并且在冷卻水套的設計中不斷加以理論指導和實驗監督，促進設計研究過程中不必要成本的減少，有利于研發周期減少，也是發動機冷卻水套研發的重要技術手段。

參考文獻：

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[作者簡介]趙生虎，漢族，內蒙古烏蘭察布人，呼和浩特職業學院，教授，正高級工程師，研究方向：機械工程、汽車工程。endprint