CFD在多缸柴油機冷卻系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用.pdf

1、柴油機冷卻系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)的三維流動直接影響柴油機的冷卻效率、高溫零件的熱負(fù)荷、柴油機的熱量分配和能量利用，尤其對高強化多缸柴油機，還影響到各缸冷卻的均勻性，這不僅關(guān)系到柴油機的動力性和經(jīng)濟(jì)性，而且關(guān)系到柴油機的可靠性和耐久性，一直都是設(shè)計者關(guān)注的焦點問題。在柴油機冷卻系統(tǒng)流動的研究中有試驗和數(shù)值模擬兩種方式，但是由于多缸柴油機冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且被完全封閉在機體內(nèi)部，冷卻介質(zhì)流動機理也十分復(fù)雜，這使得冷卻液腔內(nèi)的三維流動與傳熱實驗研究異

2、常難做，而且實驗也得不到三維流動的詳細(xì)信息。近年來，隨著計算機和計算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，柴油機冷卻系統(tǒng)的三維流動數(shù)值模擬已經(jīng)到了廣泛應(yīng)用，特別是在對柴油機冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，三維數(shù)值模擬更為有利。為此，本文利用大型通用CFD軟件STAR-CD對CA6DE系列柴油機冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并利用實驗驗證數(shù)值模擬方法的有效性和準(zhǔn)確性。 在對原機冷卻系統(tǒng)流動與傳熱模擬研究中。幾何模型包含了整個冷卻系統(tǒng)(缸體水套、缸蓋水套、油冷

3、器水套等)，這樣能充分反映出整個冷卻系統(tǒng)的性能。計算網(wǎng)格采用非連續(xù)的、完全非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，對于壁面附近采用邊界層網(wǎng)格處理，這樣網(wǎng)格既能很好地適應(yīng)冷卻系統(tǒng)復(fù)雜的幾何表面，又進(jìn)一步保證網(wǎng)格質(zhì)量，另外利用局部加密技術(shù)對重點區(qū)域進(jìn)行處理使網(wǎng)格更加完善。熱邊界條件，通過已有的氣缸蓋-活塞組-氣缸套耦合傳熱數(shù)值模擬軟件，計算出缸蓋、缸體、活塞的溫度分布，從而較準(zhǔn)確的給出壁面溫度。通過CFD模擬計算可以得到各缸冷卻水流量分配、整體和局部流場、壓力場分

4、布，同時可以給出壁面換熱系數(shù)的分布，以及對整個冷卻系統(tǒng)的設(shè)計效果進(jìn)行評價。 經(jīng)過原機三維數(shù)值模擬研究，找到其設(shè)計缺陷，并提出改進(jìn)方案，同時對改進(jìn)后結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模和數(shù)值模擬。結(jié)果表明，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)缸體各缸冷卻更為均勻；缸蓋三角區(qū)流動速度得到極大提高且較為均勻；缸體水套底部死區(qū)消失，杜絕了形成蒸汽氣囊的可能性，上部流場速度大幅度增加，滿足了設(shè)計要求，并形成了周向流動。由此可見，利用三維數(shù)值模擬研究方法對多缸柴油機冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，可

5、以很好地支持改進(jìn)設(shè)計，進(jìn)一步說明改進(jìn)設(shè)計方案的有效性，同時還可以發(fā)現(xiàn)改進(jìn)設(shè)計后存在的問題。 最后，利用實驗驗證三維數(shù)值模擬計算結(jié)果的有效性。實驗可以是直接測量計算所體現(xiàn)的結(jié)果，也可以是計算所體現(xiàn)的趨勢。一般來說直接測量CFD的計算結(jié)果是非常困難的，計算結(jié)果是個絕對值且精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，但測量結(jié)果往往比較宏觀。所以正常情況下把注意力集中在趨勢的比較中。 將三維數(shù)值模擬方法應(yīng)用到多缸柴油機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中，可以對整體改進(jìn)設(shè)計效