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CFD技术在汽车发动机冷却水套优化设计中的应用

赵生虎

（呼和浩特职业学院,内蒙古呼和浩特010070）

［摘要］当今社会科学技术的进步,为人们的生活带来了诸多便利,将软件技术应用于汽车发动机械的冷却水套的数值模拟,对模拟的结果精确分析,从而找出汽车发动机的冷却水套中存在的问题,同时通过CFD软件系统对发动机进行三维数值的模仿,并通过改善水套的冷却效果,对水套的结构有效调整,不断对发动机冷却水套的系统优化,促使发动机具备理想的机内冷却环境,通过CFD的计算结果确定冷却水套的能力范围,从而对汽车发动机进行优化设计.

［关键词］CFD技术；汽车发动机；冷却水套；优化设计

［DOI］1013939/jcnkizgsc201803142

当前,随着经济社会的发展,汽车不断更新换代,汽车市场竞争日益激烈,汽车种类不断增加,汽车的性能也在不断得到改善,汽车发动机是汽车的重要部分,发动机开发过程运用冷却水套CFD分析计算技术,对这一技术的应用对发动机设备在热负荷较高的排气管道周边设置冷却液循环流动,对发动机减少压力损失.通过系统分析影响发动机冷却水套性能的原因,进而逐渐促进优化,节约发动机的研发成本.

1CFD技术运用流程

11划分运算网格

CFD技术首先将司机需要计算的区域进行划分和离散化,划分网格的质量对计算的精确度和效率具有很重要的影响,CFD工程师在进行CFD技术分析时,划分网格的比重就占据了4/5的比重,占据分析过程的一大半时间,划分网格需要在物理平面的基础上适应物理区域中各项参数变量的变化情况,对变化比较明显且起伏比较大的网格分布区域尽量还要更细致化,而在变化相对平缓的区域划分可以适当稀松一些,根据不同区域的情况划分的特点不同,在提高分析的精确度的同时,对网格的数量尽量减少,缩短技术分析计算的时间,同时,根据边界条件离散化的要求,网格划分时应该尽量做到网格线与物理区域的边界线的交叉分布,更方便边界数值的计算,同时也能够防止网格的变形,对CFD技术的计算数值的精确度加以提升.

12控制方程的设立

通过对汽车发动机运作原理的研究会发现,物体流动会不断受到物理守恒定律的影响和控制,基本的物理守恒定律主要是指质量守恒定律和动量守恒定律以及能量守恒定律等,控制方程式对基本的守恒定律的方程式描述,提供必要的计算方式,控制方程本质上属于数学描述,对汽车发动机冷却水套中CFD技术应用的模拟计算实质上是对控制方程求解的过程.控制方程的具体求解可以表现为发动机的体积质量、时间、速度、通用变量、广义扩散系数以及广义源项等方面的关系计算,（ρφ）|t+div（ρuφ）等于div（Гgradφ）+S其中,ρ表示发动机的体积质量,t表示时间,u代表速度,φ表示通用变量,既可以代表速度,也可以代表温度等变量,Γ表示广义扩散系数,在质量守恒方程中结果为零.

13求解模式设置

汽车发动机冷却水套的CFD技术分析主要采用的是迎风离散格式和1阶隐式格式离散时间项以及速度耦合算法等求解参数,将冷却水套的内部冷却液主要设置为不可压缩黏性湍流流动,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边界层流体速度和压力分布进行具体描述,而求解模式中设置边界条件主要包括在出口边界,应符合压力出口大气压作为出口压力的条件；其次还需要入口边界的进口速率可根据缸体冷却水套的冷却液入口实际流量以及入口处的面积作为具体计算条件；最后发动机的壁面需运用具有防滑的作用,利用防滑性质的移固壁,尽量保持固体外表流体的速率为零.求解模式中的限制条件还可以包含水泵涡形腔进口边界采用流量边界条件,以及采取从油冷器流出进入缸体水套的进口等条件对求解模式进行控制变量后求解运算.

2CFD技术计算结果分析

21计算结果总体分析

在汽车发动机冷却水套CFD技术的运用中,汽油机冷却水流场中的速度场合温度场以及压力场等参数具有相互作用的关系,因此需要首先运用必要的流场参数,对流场中的各个参数加以总结对比.根据具体的发动机运作情况可以发现发动机在运作的过程中整个冷却水套的速度场分布情况存在跟大差异,冷却效果也存在着很大的不同.从发动机运作的原理上来说发动机冷却水套属于多缸机流动分配,这种流动分配的方式主要是从缸套进入通过一定的缸垫孔面积调整流入的具体流量,最后由缸头流出,对具体的流量控制根据汽车的性能以及发动机的实际情况进行计算.这种调节要求越接近水套入口的时候气缸端部的水流流量越大,这主要是因为,气缸的冷却水主要来自气缸缸体,同时距离水套入口越远的气缸头部通过的具体流入的流量就会越少,这是因为缸头的冷却水的流量来自源上游缸头.

22流动模拟化结果

首先,发动机冷却水套中的冷却液在进入之后,因进入之前所受到的水泵等其他因素的影响促使冷却液的流动并不是单一的直线流动,主要是因为缸体冷却水套外部存在的冷却液不能够完全沿缸体进行横向、单一方向的流动,而是首先流到缸体下底面再流动到缸体的上方,这就使得冷却液在水套外壁面的位置出现漩涡,这就直接对冷却水套液体流动构成一定的阻力,冷却液如果在冷却水套外壁的流动速度降低就会对自身的冷却效果不断降低.其次,发动机缸体的冷却水套也会受到温度的影响,由于冷却水套的温度并不是均匀分布的,冷却水套的排气区域的气温高于其他区域的气温.最后,缸体冷却水套顶平面及底平面的速度在不同的流动区域的速度也不相同,一般情况下,冷却液在缸体水套的上顶部流动时速度是相当快速的.但是,当冷却液到达缸体冷却水套的下底部的时候,冷却液的流动速率就会变得迟缓,甚至冷却液的流动速度有可能会下降到零,而冷却液在进气一侧的流动速率会一直低于排气区域的流动速率.具体研究观察可以发现发动机设备冷却水套中的冷却液在缸体顶端的流动速度高于底部流动速度.

3CFD技术在汽车发动机冷却水套优化方案

汽车发动机的模拟运行中可以发现,由于冷却液在冷却水套的首缸体外壁面容易产生漩涡状况,会对冷却水套内部的冷却液的流动产生更大的阻力,造成冷却液的流动速率不断下降,对缸体外部的冷却任务容易产生负面影响.同时在冷却水套运行中的第四个缸体的部位明显会出现较低的冷却液流动,造成冷却水套部分区域的热量负担加重,这便需不断对发动机冷却水套的设计优化和完善,促使冷却水套的整体冷却效果得以提升.其具体的效果主要包括将冷却水套的冷却液进水口的位置下降,以免出现严重的外壁漩涡现象,能够促使冷却液在冷却水套的外壁面保持单线流动的状态.同时调整冷却液水孔的结构,由于冷却水套排气区域的圆形水孔处的冷却液流量比较少,会使得冷却水套排气侧其他部位的冷却液流量同样减少,因此要将这些水孔去除,同时对冷却水套存在的26个气孔一并予以去除,进而促进整个方案的优化.经过对修正过的汽车发动机冷却水套设计优化测试,冷却液的流动速率会增加,这对于改善冷却效果是具有很大帮助的.

4结论

随着科学技术的进步,我国机械设备的性能在不断提升,同时各种关于流体计算软件以及计算机技术多方面的应用,对CFD技术的完善和成熟具有重要的推动作用,当前 CFD 技术已经成为汽车发动机冷却水套设计中运用的关键技术手段.通过采取 CFD 技术对发动机冷却水套的冷却能力进行有效的分析,不断找出其中存在的问题和影响因素,并且在冷却水套的设计中不断加以理论指导和实验监督,促进设计研究过程中不必要成本的减少,有利于研发周期减少,也是发动机冷却水套研发的重要技术手段.

参考文献：

［1］裴梅香,刘斐,金则兵,等应用CFD技术对汽油发动机冷却水套进行优化设计［J］.上海汽车,2012（6）：16-21

［2］张应兵,陈怀望,许涛CFD技术在发动机冷却水套优化设计中的应用［J］.汽车工程师,2012（4）：56-58

［3］詹樟松,陈小东应用CFD技术对发动机冷却水套进行优化设计［J］.汽车工程,2005（5）：47-49,88

［作者简介］赵生虎,汉族,内蒙古乌兰察布人,呼和浩特职业学院,教授,正高级工程师,研究方向：机械工程、汽车工程.

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