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发动机水套CFD计算作者：刘国庆报告人：李红庆前言本报告的计算用AVL公司的FIRE软件完成。通过CFD计算，可以得到水套整个流场(速度，压力，HTC等)分布。水套冷却液流动和冷却特性分析主要通过流动分布、换热系数(HTC)、压力损失进行。通过速度场可以识别出滞止区、速度梯度大的区域，通过换热系数的分布可以评估水套的冷却性能，通过压力分布可以显示出压力损失大的区域。计算模型和网格生成首先建立水套冷却剂流域(即计算域)的CAD(Pro/E)模型。图1是水套进气侧和排气侧方向的透视图，图2是缸盖部分（包括气缸垫）视图。计算网格由FIRE自动网格生成器FAMEHYBIRD生成，包括缸盖，缸体，气缸垫片水套三部分，所有方案的计算网格采用基本相同的网格尺度，网格数大约为95万(不同的方案网格数略有不同)，网格主要是由六面体单元组成，另外还包括少量五面体和四面体，图7是采用FAME生成的计算网格。方案描述所有计算方案的缸盖缸垫部分均相同在方案二基础上将缸体前后侧底部部分切除2.50kg/s6计算域同22.50kg/s5计算域同22.30kg/s4缸体部分进排气侧水套均加深（深度相同）2.03kg/s3缸体部分进排气侧水套加深（两侧深度不同）2.03kg/s2缸体水套深度与原型机相同2.03kg/s1描述入口流量方案方案示图图1图3方案1缸体图图4方案2缸体图图2方案示图图5：方案3缸体图图6：方案6缸体图网格示图图7：方案2网格边值条件※湍流模型湍流模型假定壁面温度：缸体：373K缸盖：393K水泵侧入口边界条件：计算流体:水和冷却剂(50/50)的混合物流体入口温度:368K入口流量(体积流量):2.03kg/s(120l/min):2.30kg/s(136l/min):2.50kg/s(148l/min)出口边界条件:梯度=0(连续型边界条件)本计算采用的是比较简单的k-ε模型。计算假定流动为不可压的。数值计算出口给定梯度为零的边界条件时不太好收敛,与初值的给定有很大的关系,为了是计算收敛,首先出口给定压力边界,计算一段时间后,再改为梯度为0的边界条件。压力分布由图8,图14,图19,图25可知,各种方案的压力损失主要是在入口处,气缸垫片处以及第4缸缸盖部分。入口处由于采用非开放式设计，冷却液由入口流入水套时，肋板的存在增大了流通阻力。表1是各种方案的总压损失。从表1中可以看出方案2的损失相对于方案1和方案3要大一些，这主要是由于缸体部分进气侧和排气侧不对称，使得冷却液由在缸体部分内流动时压损加大；方案4和方案5加大了入口流量，压力损失急剧增加；方案6由于改善了方案2缸体进排气侧的流动，压力损失明显的减少(相对于方案5)。方案3由于水套容积增大，整体流速减小，压力损失略有减小。表1：各种方案的压力损失方案压力损失(总压)kg/sl/minPa12.031215730122.031216407932.031215564342.31378340152.51499741962.514983878入口流量速度场分布——缸体部分图9是方案1缸体水套速度场分布图，从图中可以看出，此方案中，在水套入口，由于入口与缸体接触附近肋板的存在，致使此处流通阻力很大，流速大，速度分布也很复杂，并且在第一缸缸体进气侧底部出现了较大的旋涡，在进气侧各缸肋板附近速度均很小，在进气侧，冷却液的流动不完全是沿着缸体纵向流动，而是沿缸体底部流向缸体上部，缸体上部肋板附近速度很小，并且在第二缸肋板附近存在旋涡，这些都导致了缸体部分流通阻力增大，与之对应的是，缸体部分排气侧速度很小。在第一缸缸体部分排气侧靠近第二缸附近，冷却液从缸体部分两侧在这里相遇，形成死区；而在第一缸缸体前端，缸体水套顶部和缸体水套底部流速相反，因此也形成了一个局部死区。速度场分布——缸体部分图15、20、26、31、36分别是方案2、3、4、5、6缸体水套速度场分布图，这些方案都采用了加长水套，从图中可以看出在进气侧加长部分速度明显小于缸体顶端部分速度，并且存在明显的分界线，这主要是由水泵位置和冷却液粘度及入口流量决定的。而分界线以上缸体部分及排气侧，速度场分布趋势和方案1基本相同，随着流量增加分界线向缸体底部略有靠近，整体速度有所提高，相应的死区面积略有减小。速度场分布——缸盖部分图11、17、22、28、33、38分别是方案1、2、3、4、5、6缸盖部分水套速度场分布图，图13、24分别是方案1、3在切片Y=50处的速度图。从这些图中可以看出，所有方案速度场分布趋势基本一致，这主要是由于所有计算方案气缸垫片孔的大小和位置相同；总的来说，冷却液由第1缸流向第4缸，并且速度逐渐增加；相同流量时（图11、17、22），整体速度要比AVL原方案略有减小，而方案1比方案2、3速度要大（特别是的第2缸和第3缸之间），加大流量后（图28、33、38）整体速度均有较大提高。各种方案在排气口间的冷却通道速度较大，并且各缸该部分速度分布比较均一HTC分布——缸体部分图10、16、21、27、32、37是各种方案缸体部分壁面HTC分布云图，从这些图中可以看出，HTC的分布与速度场的分布趋势基本一致。方案1（图10）在缸体第1缸和第2缸排气侧及第1缸前端下侧HTC值很小，而在第1缸和第2缸进气侧前端HTC很大，这与速度场的分布是一致的。方案1、方案2、方案3三种方案随着缸体水套容积增加，在排气侧散热差的区域（HTC）逐渐增大，方案3整个排气侧HTC都比较小。HTC分布——缸体部分方案2、3中，在进气侧缸体顶端HTC很小。三种方案的进气侧，第1，2缸的HTC比较大。所以对于第1、2缸，由于缸套进排气侧冷却不是很均匀，容易使缸套变形，导致活塞与缸套磨损严重。加大流量后（图27、28），流速增大，HTC也有一定的提高，在排气侧HTC很小的区域（蓝色部分）也减少很多，基本上分布在第1，2缸。通过改善进排气侧的流动状态，方案6的第一缸前端面和第3，4缸进气侧靠近肋板附近区域的HTC均有所增加。HTC分布——缸盖部分图12、18、23、29、34、39是各种方案缸盖部分壁面HTC分布云图，可以看出，这些方案整体HTC分布趋势基本相同，从第1缸到第4缸HTC逐渐增大，在排气口间的冷却通道，HTC的值比较大，满足了该处热负荷大的要求，流量增大后，整体HTC有较大的提高，并且各缸HTC分布也更为均匀。结论¾在不改变水泵位置的情况下，不建议加深水套。¾若采用第2种方案，建议加大流量到2.3kg/s(137l/min)以上。¾若采用方案2，建议缸体部分前后端底部突出部分切除（见图6）。¾加大流量到2.3kg/s后，缸盖部分能达到原型机缸盖水套相当的冷却能力。各方案缸体部分进排气侧冷却不是很均匀，各缸冷却也不均一。谢谢大家！图8：方案一整体静压分布图图9：方案一缸体速度分布图图10：方案一缸体HTC分布云图图11：方案一缸盖速度分布图图12：方案一缸盖HTC分布云图图13：方案一切片Y=50mm速度云图图14：方案二整体静压分布图图15：方案二缸体速度分布图图16：方案二缸体HTC分布云图图17：方案二缸盖速度分布图图18：方案二缸盖HTC分布图图19：方案三整体静压分布图图20：方案三缸体速度分布图图21：方案三缸体HTC分布云图图22：方案二缸盖速度分布图图23：方案三缸盖HTC分布图图24：方案三切片Y=50mm速度分布图图25：方案四整体静压分布图图26：方案四缸体速度分布图图27：方案四缸体HTC分布云图图28：方案四缸盖速度分布图图29：方案四缸盖HTC分布图图30：方案五整体静压分布图图31：方案五缸体速度分布图图32：方案五缸体HTC分布云图图33：方案五缸盖速度分布图图34：方案五缸盖HTC分布图图35：方案六整体静压分布图图36：方案六缸体速度分布图图37：方案六缸体HTC分布云图图38：方案六缸盖速度分布图图39：方案六缸盖HTC分布图