DL59天然气发动机冷却水套流动与传热仿真分析.pdf

第 2期 总第 1 9 9期 2 0 1 2年 4月 车用发动机 VEHI CLE ENGI NE No ． 2 S e r i a 1 No ． 1 9 9 Apr ．2 01 2 DL 5 9天然气发动机冷却水套流动与传热仿真分析 高 莹 ，葛 迪 ， 李书华 ，张 蕾 ，张 震。 1 ．吉林大学汽车仿真与控制 国家重点 实验 室，吉林 长春 1 3 0 0 2 2 ； 2 ．中国石 油规 划总院，北京 1 0 0 0 8 3 摘 要应用 商用计算流体 力学软件 F l u e n t 对 某天然 气发 动机 冷却水套进 行 了模 拟计 算， 得 出了缸体 、 缸盖 水 套 内的冷却 液流场分布以及压力损失 。水套总压损失 的计 算结果 为 4 3 ． 7 2 k P a ， 缸体 水套冷 却液流速 0 ． 7 m／ s以 上 ， 缸盖水套冷却液流速 0 ． 5 m／ s以上 ， 均符合流速准则 。热 负荷较 高区域 的传 热系数也 满足要 求。 关键词 天然气发动机 ； 冷却水套 ； 流场 ；传热 ； 仿真 中 图分 类 号 TK4 3 4 ． 2 3 文 献 标 志 码 B 文 章 编 号 1 0 0 1 - 2 2 2 2 2 0 1 2 0 2 0 0 1 1 - 0 6 随着汽车行业竞争 的 日益激烈， 汽车厂家需要 不断推出新产品， 并完善原有产 品以提高 自身竞争 力。以往通过试验方法获得数 据信息 ， 这需要耗费 大量人力物力 ， 随着计算流体力学理论 的完善 以及 计算机软硬件的发展 ， 计算流体力学成为汽车行业 产 品开发 的一种 重要 手段 。 本 研究 的天 然气 发动 机是 在原 系列 柴油 机平 台 上开发出来的产品 ， 工作过程从非均质混合气扩散 燃烧变化到均质混合气火焰传播燃烧 ， 燃烧温度上 升 ， 导致 发 动机热 负荷 稍高 于原 柴油 机 ， 可能 会 出现 发动机工作可靠性下降的问题 。因此 ， 本研究利用 计算 流 体动力 学 C F D软 件 F l u e n t 对发 动 机 冷 却水 套及传热进行 了模拟分析。 1 发动机冷却水套 的 C F D模拟 1 ． 1 几 何模 型 的描述及 简 化 水 套 的结 构 十分 复 杂 ， 对 其 几何 形 状 的 准确 描 述是 进行 流动 及传 热模 拟 的重要基 础 。发 动机 水套 的几何模型包括缸体水套 、 缸盖水套 、 机油冷却器水 腔等 。各缸体水套之间 由上至下贯通相连 ， 各缸盖 水套之间独立不相通 ， 冷却液经各缸体水套 由上水 孔 流人 相应 的缸 盖水 套 。 发动机水套 的整体结构十分复杂， 如果完全按 照实际结构建立模型将非常困难 ， 所以， 在保证仿真 计 算结 果不 受大 影 响 的前 提 下 ， 需 要 对 模 型 进 行 合 理的简化。本研究应用 C AD软件 P r o ／ E建立发动 机水套模型 ， 并进行简化 。模型的简化程度与仿真 计算的计算量及计算精度关系密切 ， 实体简单 ， 则计 算量小， 但相应地对计算精度也有影 响。因此 ， 在简 化过程 中要权衡计算量与计算精度间的关系。本研 究 中的简 化原则 是 忽 略 结构 中 的小 圆角 、 倒 角 和螺 栓搭子周围的小 曲面等 ， 对关键位置 如缸盖鼻梁区 处 尽 量不 作简化 。简化后 的水 套模 型见 图 1 。 图 1 发 动 机 水 套 简 化 模 型 1 ． 2 网格 模型 C F D计算 中以网格构造几何模 型， 网格模型同 时也是仿真计算 的载体。网格单元的大小 以及 网格 质量对仿真计算 的精度和计算量有很大影响。网格 过疏 ， 计算 精确 度 降低 ， 甚 至 导 致 计算 不 收敛 ； 网格 过密会大大增加计算时间， 而且对计算机硬件有更 高的要 求 。因此 ， 应 该 根 据 实 际物 理 量 变 化进 行 网 格 划分 。 本研究涉及 的几何模型结构十分复杂， 结构化 六面体无法完全表征模型几何特征， 而完全 的四面 体网格将成倍增加 网格数量 。因此， 考虑使用混合 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 1 - 0 8 ； 修 回日期 2 0 1 2 - 0 4 0 1 作者简介 高莹 1 9 7 2 一 ， 女 ， 副教授 ， 博士 ， 主要研究方向为能源多元化与新型动力总成 ； g a o y i n g j l u ． e d u ． c n 。 车用发动机 2 0 1 2 年第 2期 网格 。缸体、 缸盖等的主体 由六面体网格填充， 以减 少网格数量， 尺寸细小处使用四面体网格 ， 以达到贴 体 的效果 ， 更 好地表 征几 何形状 。在 温度 、 速度 变化 梯度大的区域减小网格尺寸 ， 增加网格数量， 进而提 高计算精度。同时在壁 面处增 加了一层棱柱体 网 格 ， 通过划分层 网格 ， 使 近壁 面网格 的 y值处 于 F l u e n t 软件推荐 的范 围内。为保证层 网格顺利划 分 ， 在 较窄 的流体 通道 处 ， 垂 直于 流速方 向 的网格数 应该 不少 于 3 个 。 本研究 应 用 P r o ／ E软 件输 出 S T L格式 文件 ， 并 利用 Av l F i r e 软 件 中的 F AME工具进 行 网格划分 。 最终冷却水套整体网格数量约为 8 9万个。 1 ． 3 算法及 边界 条件 仿真计算选定在发动机标定工况下进行 ， 冷却 液为 4 5 9 ／ 6 的水和 5 5 的乙二醇混合液 物性参数见 表 1 。采用稳态计算模式 ， 在仿真计算过程 中认为 冷却液在水套内的流动状态是不可压的黏性湍流流 动。湍流模型选用 e标准湍流模型。采用标准壁 面函数法来描述壁面附近边界层流体速度、 压力等 的分布， 并且要求 近壁面 网格 的 y值在 3 O ～5 0 0 之 间 y 值 是第 一 层 网格 质 心 到 壁 面 的 无 量 纲距 离 ， 与速度 、 黏度 、 剪应 力 等都有关 系 。 表 1 冷却液物 性参数 比热容／ J k g K 一 3 3 O 3 密度／ k g m- ” 1 O 0 1 动力黏度／ k g m s 一 0 ． 0 0 0 7 热导率／ W m K 0 ． 4 0 1 9 注 以上数据对应 T一3 7 8 ． 5 K， P一0 ． 1 5 MP a 冷却水套 的边界条件设置 冷却液温度 3 7 8 K； 缸体水流入 口处质量流量 6 ． 4 k g ／ s ； 缸盖水流出 V I 为出流 ； 水套壁面为壁面。 1 ． 4水套 壁面传 热 系数 的计算 在 发 动 机 冷 却 水 套 的 C F D分 析 过 程 中 ， 利 用 F l u e n t 软件的用户 自定义功能读人根据传热 系数 计算公式和 自编的计算程序计算出水套壁面的传热 系数 。 h 一 Pr V 9 ． 2 4 P m 一 1 0 ． 2 8 e 0．07 鲁 o 式中 为传热 系数 ； C 为比热容 ； V为流速 ； P r为 普朗特数 ； r 为壁 面剪切应 力； P 为分 子普朗特 数 ， P 一 ， k f 为流体热导率。 2 C F D结果分析 图 2示 出水套 内 的流线 分 布及流 向。由图 2可 以看出， 冷却液由缸体分水管分别进入各气缸， 由于 缸体向缸盖 4个 8 mm的大上水孔均位于气门推杆 孔 的对侧 ， 而另 4个 4 mm 以下的小孔位于气 门推 杆孔一侧， 导致进入各缸体的冷却液主流被抽 向大 孔 区域 ， 部 分 向下 回转 到气 门推杆孔 一侧 的小孔 ， 形 成交叉环绕冷却缸套上部的高温负荷 区 主要是活 塞位于上止点时第一道活塞环上方到缸体顶面 ； 当 冷却液进入缸盖后 ， 受到缸盖 内水套结构的引导， 在 进气门和火花塞头部周围区域的水套内由气门推杆 孔 对侧 流 向气 门推 杆 孔一 侧 ， 由于 在 缸盖 上 的排 气 门侧存 在一个 上通 道 ， 此 处 的冷 却 液 直 接短 路 进 入 缸盖顶部水套 ， 导致该局部起 到了引导周围冷却液 向此汇 聚 的效 果 ， 强 化 排气 门侧 的 高 温负 荷 区 。随 后 3 个缸盖内流动 的冷却液流入缸盖集水管 ， 最后 由缸盖上出水 口流出， 这种水套结构产生的冷却液 流动 路径可 以实 现高温 区域高 效强 化冷却 的 目标 。 暑 、 媛 图 2 水套内流线 的分 布及 流向 姗 姗瑚 瑚 瑚 2 2 2 l 1 1 1 0 0 O 0 - 墨 鬻 _l 黧瓢 - ■ T g 、 瑚咖咖 瑚 咖 瑚 2 2 2 1 l l 1 0 0 0 0 ■蕊 誓I 州 00 溅 ● ∞．g、 幽蜒 姗拗 啪湖抛 咖 姗 挪 2 2 2 1 1 1 l 0 O 0 O ■感 。 0- 一 醯 ●● 1 6 车用发动机 2 0 1 2年第 2 期 水套热负荷较高区域的传热系数要求。 由以上数据判断， 此冷却水套 的散热能力能够 满足发动机对可靠性 和耐久性的要求 ， 同时其流动 阻力 低 ， 具 有 良好 的节 油性 能 。 参考文献 I- 3 ] E 4 ] E l i 刘巽 俊 ， 陈 群 ， 李 俊 ， 等． 车 用 柴 油机 冷却 系统 r ] LJ J C F D分析[ J ] ． 内燃机学报 ， 2 0 0 3 ， 2 1 2 1 2 5 1 2 9 ． [ 2 ] 俞小莉 ， 武 亚娇 ， 黄瑞 ， 等． 轿车发动机冷却水套 流动 与传热 C F D计算 分析[ J ] ． 车 用发 动机 ， 2 0 1 0 3 5 0 5 5 ． 刘铁 钢． 柴油机冷却水套模拟 分析及 结构优化[ D ] ． 长 春 吉林 大学， 2 0 0 6 ． Adi t ya M u l e ma ne， Ra v i n dr a So ma n ．CFD Ba s e d Com p l e t e En g i n e Co o l i n g J a c k e t De v e l o p me n t a n d An a l y s i s [ C ] ． S AE P a p e r 2 0 0 7 0 1 4 1 2 9 ． 叶伊 苏， 辛 拮． 柴油机缸 内冷却液 流动 的数值 模 拟 [ J ] ． 车用发动机 ， 2 0 0 8 增刊 7 6 7 8 ， 8 2 ． S i mu l a t i o n o f Co o l a n t Fl o w a n d He a t Tr a n s f e r f o r DL5 9 Na t u r a l Ga s En g i n e W a t e r J a c k e t GAo Yi n g ，GE Di ，LI Shu hu a ，ZH ANG Le i ，ZH ANG Zh e n 1 ．S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Au t o mo b i l e Dy n a mi c S i mu l a t i o n ，J i l i n Un i v e r s i t y ，Ch a n g Ch u n 1 3 0 0 2 2 ，C h i n a ； 2 ．Pe t r o Ch i n a P l a n n i n g E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 。Ch i n a Abs t r a c t Th e s i mu l a t i o n a n d c a l c u l a t i o n o f wa t e r j a c k e t f o r a n a t u r a l g a s e n g i n e we r e c a r r i e d o u t wi t h Fl u e n t s o f t wa r e ， a n d t h e f l o w f i e l d d i s t r i b u t i o n a n d p r e s s u r e l o s s o f c o o l a n t f r o m wa t e r j a c k e t o f c y l i n d e r b l o c k a n d c y l i n d e r h e a d we r e a c q u i r e d ．Th e t o t a l p r e s s u r e l o s s o f wa t e r j a c k e t wa s 4 3 ． 7 2 k P a ，t h e c o o l a n t v e l o c i t y o f c y l i n d e r b l o c k wa t e r j a c k e t wa s o v e r 0 ． 7 m／ s ，t h e c o o l a n t v e l o c i t y o f c y l i n d e r h e a d wa t e r j a c k e t wa s o v e r 0 ． 5 m／ s ， b o t h o f t h e m c o i n c i d e d wi t h t h e f l o w c r i t e r i o n ．Th e h e a t t r a n s f e r c oe f f i c i e nt s a t h i g h he a t l o a ds a r e a a l s o me t t he r e qu i r e me nt s ． Ke y wo r d sn a t u r a l g a s e n g i n e ；wa t e r j a c k e t ；f l o w f i e l d ；h e a t t r a n s f e r ；s i mu l a t i o n [ 编辑 袁 晓燕] 上 接 第 1 0页 r 3 ] A UTO S AR Ad mi n i s t r a t i o n ．S p e c i f i c a t i o n o f I ／ 0 Ha r - [ 5 ] d wa r e Ab s t r a c t i o n V2 ． 0 ． 2 [ M] ． [ S ． 1 ． ] A UTO S AR， 2 0 08 ． [ 4 ] Gw a n g mi n P a r k ， Da e h u n K u m， S u n g h o J i n ， e t a 1 ．I m p l e me n t a t i o n o f A UT OS A R i ／ o D i r v e r Mo d u l e s f o r a [ 6 ] S S P S S y s t e m[ C ] ／ ／ I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o n t r o l ，A u t o ma t i o n a n d S y s t e ms ． [ S ． 1 ． ] [ s ． n ． ] ， 2 0 0 8 1 451 - 1 45 6． J u n h u a S o n g， J u n x i Wa n g ， Ha n g b o Ta n g ，e t a 1 ． Re s a r c h o f Di e s e l Hy br i d El e c t r i c Ve h i c l e Ha r dwa r e Sy s t e m [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Au t o mo t i v e ，2 0 0 9 ， 1 0 4 5 2 3 - 5 2 8 ． 王都 ， 宋君花 ， 冒晓建， 等． 基于 电控 调压 器的压缩 天 然气发动机 电控 系统[ J ] ． 农 业机 械 学报 ， 2 0 0 9 ， 4 0 3 46 5 O． De s i g n o f Dr i v e r S o f t wa r e f o r CNG En g i n e Co n t r o l l e r S ONG J u n h u a ，XU Qu a n k u i ，WANG Du ，MAO Xi a o j i a n ，Z HU0 Bi n 1 ．Te c h n o l o g y Ce n t e r ，S h a n g h a i Hi g h E n e r g y Au t o mo t i v e El e c t r o n i c Co ．，Lt d ． ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，C h i n a ； 2 ．S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g，S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 2 4 0，Ch i n a Ab s t r a c t Th e s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n o f c o mp r e s s e d n a t u r a l g a s CNGe n g i n e wa s a n a l y z e d ． The dr i ve r s of t wa r e of CNG EC U wa s d e v e l o p e d ．Th e h a r d wa r e a b s t r a c t i o n l a y e r o f ECU wa s d e s i g n e d ．Th e c o n fi g u r a b l e i n p u t ／ o u t p u t h a r d wa r e a b s t r a c t i o n wa s d e s i g n e d t o ma t c h ECU wi t h d i f f e r e n t s e n s o r s ．Th e c o n f i g u r a b l e i g n i t i o n s e q u e n c e c o u l d ma k e E CU u n i v e r s a l f o r d i f f e r e n t m e c h a n i c a l s y s t e ms ．Th e r e u s e o f c o mmu n i c a t i o n p r o g r a m a n d t h e r e a s o n a b l e a l l o c a t i o n o f p r o g r a m s p a c e we r e r e a l i z e d ． F i n a l l y，t h e d e s i g n e d c o n t r o l l e r wa s t e s t e d o n a CNG b e n c h ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d r i v e r s o f t wa r e i s s t a b l e a n d r e l i a b l e ， whi c h r e a l i z e t he s t a bl e c o nt r o1 ．W i t h t h e s of t wa r e，CNG e n gi ne ha s a go o d f ue l e c on omy a t me d i u m a n d hi gh s p e e d．whi c h me e t s t h e de ma n d o f he a v y - dut y v e hi c l e ． Ke y wo r d sCNG e n g i n e ；c o n t r o l l e r ；d r i v e r s o f t wa r e ；h a r d wa r e a b s t r a c t i o n ；c o n f i g u r a b l e ；b e n c h t e s t [ 编辑 潘 丽丽]