某型柴油机水泵-水套联合模型CFD分析

周芸梦 罗扉 刘功晓

摘要： 散热性能优良的冷却系统对柴油机动力性、可靠性的提升有着重要的影响[1]，为深入了解冷却系统在冷却过程中的具体细节，冷却水套内的流动问题已是重要研究课题[2]，独立对冷却水套进行研究不足以了解整个冷却系统的匹配问题和冷却能力，因此在原水套模型基础上增添一个冷却水泵模型，构成水泵-水套联合模型进行分析。本文搭建某型柴油机水泵-水套联合分析模型，采用多重参考模型（MRF）对其冷却系统进行分析。

Abstract： The cooling system with excellent heat dissipation performance has an important impact on the improvement of engine power and reliability. In order to deeply understand the specific details of the cooling system in the cooling process， the flow problem in the cooling water jacket has become an important research topic. Independent research on the cooling water jacket is not enough to understand the matching problem and cooling capacity of the whole cooling system， Therefore， a cooling water pump model is added to the raw water jacket model to form a water pump inlet model for analysis. In this paper， an analysis model of water pump inlet of a diesel engine is built， and its cooling system is analyzed by MRF calculation method.

关键词： 冷却系统;水泵-水套;MRF

Key words： cooling system;water pump and water jacket;optimization design

中图分类号：U464.138+.1                                    文献标识码：A                                 文章编号：1674-957X（2021）21-0048-02

0  引言

对于以前的柴油机，采用的水泵叶片都是包围在蜗壳内，且水泵出口与水套的入口之间有一段规则的管路进行连接，水泵的旋转运动对水套入口冷却液流动方向影响较小，所以一般水套CFD分析时不需要考虑水泵对分析结果的影响。但是随着现代柴油机的结构越来越紧凑，水泵出口与发动机水套入口的距离也在缩短。对于某些柴油机，水泵的蜗壳为缸体的一部分，水泵出口距离水套入口较近，水泵的旋转运动对水套入口的流场影响较大，因此，在对水套进行CFD计算时，需要考虑水泵对水套的影响，加入水泵模型。

1  模型搭建

本文研究的柴油机冷却水套包括水泵、缸体水套、缸垫、缸盖水套。该柴油机水泵叶片一侧包围在蜗壳内，另一侧直接嵌入柴油机缸体，且水泵出口与水套入口距离很近，并由一段不规则的扁平通道连接，具体几何模型如图1所示。

对水套模型进行网格划分，采用多面体网格，并添加边界层网格，整个计算域网格数约为300万，计算网格模型如图2所示。

2  计算方法及边界条件

MRF模型是一种定常计算模型，假定模型中的网格单元做匀速运动，这种方法对网格区域边界上各点的相对运动基本相同的问题适用。MRF模型是将整个计算区域分成多个小子域，每个子域有着各自的运动方式，或静止或旋转，控制方程在每个子域内分别进行求解，再对不同旋转或移动速度的各个区域进行稳态近似，因此当边界上的流动区域几乎均匀混合时，这种方法比较适宜。大多数时均流动都可以用MRF模型进行计算，特别是在运动网格区域与静止网格区域间的相互作用比较微弱时可以使用MRF模型进行计算[2]，因此，本文采用MRF模型对柴油机的冷却系统进行CFD计算。

水泵进口边界处设置为速度进口条件，根据该水泵设计标准，冷却水入口流速为271.3L/min;动域叶轮与静域泵腔之间相互重合的圆弧表面设为Interface面;壁面设为无滑移固壁条件，在近壁区采用标准壁面函数，壁面粗糙度为40μm，湍流模型采用K-Epsilon Turbulence。具体边界条件如表1所示。

3  CFD计算结果分析

对柴油机冷却系统进行CFD计算，计算稳定后，对计算结果进行分析。对各缸进口的冷却液流量进行统计，结果如表2所示。结果顯示，各缸缸体水套入口之间的分水量极不均匀，这可能是由于入口流量受水泵的影响所致。由于各缸水套之间是连通的，冷却液可在缸体内部流动进行调节，因此各缸入口分水量的不均匀不能说明水套的冷却效果不好，需要对关键部位进一步分析。

对柴油机各缸上水孔的冷却液流量进行统计，结果如表3所示。结果显示，各缸上水孔的冷却液流量总和较为均匀，说明冷却液在各缸之间进行调整后，逐渐趋于均匀，需要对关键部位进一步分析后，才能对冷却性能进行判断。

高热负荷区为油环在柴油机上止点的位置到火力面之间的区域，此区域受到的热负荷较大，需要的冷却能力也较大，此区域冷却液流速的设计要求为大于1m/s。通过缸体高热负荷区域切片速度云图，发现第1缸水泵侧以及第4缸进气侧部分区域小于0.5m/s，但是通过对冷却液流速的数据统计发现，均值均大于1m/s，满足设计要求，具体结果如图3、表4所示。

对柴油机缸盖下层水套进行分析，CFD计算结果显示进排气门间的过水流速均满足要求，各部位的过水流速均大于目标值，具体结果如图4、表5所示。

4  结论

①随着现代柴油机的结构越来越紧凑，水泵出口与发动机水套入口的距离也在缩短，为了得到更加准确的模拟计算结果，须在柴油机冷却水套CFD分析过程中考虑水泵的影响，并以此来分析和评价水套内流场分布和冷却能力。

②本文对某型柴油机水泵式入口冷却系统进行分析，结果显示，水套均匀性，高热负荷区、下层水套等重点区域的冷却液流速均满足设计要求。

参考文献：

[1]周龙保.内燃机学[M].三版.北京：机械工业出版社，2010.

[2]张福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].清华大学出版社，2004.

[3]朱红钧，林元华，谢龙汉.FLUENT流体分析及仿真实用教程[M].北京：人民邮电出版社，2010：221-222.