车用柴油机冷却系统的CFD分析.pdf

内燃机学报
第21卷(2003)第2期Vol.21(2003)No.2
TransactionsofCSICE

文章编号:100020909(2003)0220125205212026

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车用柴油机冷却系统的CFD分析

刘巽俊1,陈群1,李骏2,李康2,陈海娥2
(1.吉林大学汽车工程学院,吉林长春130025;2.一汽集团公司技术中心,吉林长春130011)

摘要:利用计算流体力学商用软件FLUENT对CA498柴油机的冷却水套进行了模拟,给出了整机冷却水套
内冷却液的流场、传热系数分布和压力损失。水套总压力的计算结果为40kPa。气缸盖水套保证水流速度高
于0.5m/s,冷却良好。气缸体水套结构需要改进,以清除局部冷却液死区,进一步改善冷却均匀性。机油冷
却器冷却水腔的流动保证了足够的传热系数。
关键词:柴油机;冷却水套;CFD分析
中图分类号:TK424.21文献标识码:A

引言

随着世界范围内汽车行业竞争的日益激烈,生产
厂家需要不断推出新产品和完善现有产品来占领市

场,这就要求在缩短设计和改进设计周期的同时提高图1发动机冷却水套CFD模拟流程
设计精度和产品的可靠性。以往采用的针对不同设计Fig.1EnginewaterjacketCFDsimulationblockdiagram
方案分别试制样机、再进行试验分析后才能确定设计
几何模型的描述及简化
方案的模式已经无法满足市场需要[1]。要实现上述1.1
CA498发动机冷却液流动的计算域是从水泵出
要求,必须充分利用计算机资源和不断完善的物理模
口至缸盖水套的出口。冷却液流动路径如下:冷却液
型,用模拟分析来指导设计工作。计算流体力学
从水泵出口同时流入缸体水套入口和机油冷却水腔入
(ComputationalFluidDynamic,简称CFD)是目前用于
口;机油冷却水腔内的冷却液通过与缸体水套相连通
解决三维流动问题的重要手段[2],以往需要通过大量
的个出口流入缸体水套再经过缸体上水孔及缸垫
试验得到的流动信息可以通过模拟计算获得。与试验4,
流入缸盖水套,最后经缸盖水套出口流出。冷却水套
数据相比,计算结果的准确性和可靠性是令人满意
的几何模型包括缸体、缸垫、缸盖的冷却水套以及机油
的[3],而且可以节省大量的时间。
冷却水腔。由于水套结构非常复杂无法在三维实体
冷却系统是影响发动机可靠性、排放和性能的重,
结构上生成计算网格,因此要在保证与原水套内流场
要因素,冷却系统的优化设计是发动机设计过程中的
尽可能一致的前提下,简化其几何实体。
一个重要环节。近年来,CFD成为发动机冷却系统设
几何实体的简化程度与进行模拟计算所需
计中的强大工具。CFD
的时间及结果精度密切相关。实体结构简化得越简
本文利用FLUENT软件对CA498柴油机的冷却
单,计算量越小,但计算精度及模拟结果的可靠性会降
水套进行了CFD模拟,给出了冷却水套内冷却液的流
低。所以要在提高计算精度和可靠性与降低模拟计算
场分布情况,并对热负荷较高的燃烧室、排气道周围和
工作量两者折中的基础上进行实体简化工作。例如
缸体上半部分区域的冷却情况以及整个系统内的压力,
由于缸盖水套的结构非常复杂完全按照其真实模型
损失进行了分析评价。,
建立计算模型是非常困难的,也是没有必要的,可根据
1发动机冷却水套的CFD模拟计算经验作适当的简化,如不考虑结构的圆角和倒角
以及螺栓搭子周围的小曲面等。但对模型的关键位置
CA498发动机冷却水套的CFD模拟过程如图1
(如缸盖水套鼻梁区处)最好不作简化。简化后的水套
所示。具体过程如下所述。
几何模型如图2所示。实体结构处理工作主要运用三

X收稿日期:2002209229;修订日期:2002212209。
作者简介:刘巽俊(1936-),男,教授,博士研究生导师,主要研究方向为内燃机设计和排放控制。

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维的CAD软件来完成,部分简化工作也可在FLU2
2CFD结果分析
ENT的前处理软件GAMBIT中进行。
主要对缸体、缸盖水套及机油冷却水腔内关键位
置处的速度场分布,缸体水套内表面和机油散热片的
传热系数以及整个水套的压力损失进行了分析评价。
2.1缸盖水套内的流场分析
图3a为发动机缸盖底平面的速度场分布,其平均
流速为0.94m/s,图3b为平行于缸盖底平面、位于喷
油器水套底部的缸盖水套速度剖面。根据国外CFD
咨询公司的计算经验,流速高于0.5m/s即可满足冷
却要求。从图3可见,缸盖的排气道侧水流的