发动机冷却液流动与传热的数值模拟

第４３卷第３期２００９年３月

西安交通大学学报

Ｖｂｌ．４３№３Ｍａｔ．２００９

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩ’ＡＮＪＩＡＯＴＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

发动机冷却液流动与传热的数值模拟

李宝童，洪军，孙静，徐海波，邱志惠，潘世翼

（西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，７１００４９，西安）

摘要：为了提高发动机的冷却效率、降低高温零件的热负荷、实现整机的热量合理分配与利用，针对冷却水套优化设计中存在的冷却液三维流动与传热问题，以直列４缸发动机为研究对象，利用流

固耦合的方法确定冷却水套壁面的传热边界条件，采用计算流体动力学软件ＡＶＩＴＦＩＲＥ对发动机冷却系统进行三维数值模拟，并对冷却水套内冷却液的流场分布、温度分布、壁面换热系数、各缸冷却均匀性和压力损失进行了分析．在此基础上，为了实现发动机冷却水套三维流场形态的可视化，

构建了与实际冷却水套三维尺寸成ｌ：ｌ的水套试验件模型，结合其结构特点讨论了试验件的制备方案，并对模拟工况下试验件的强度与管路系统的压力损失进行了验证计算，从而进一步为冷却水套的优化设计提供了理论与试验依据．

关键词：发动机；数值模拟；冷却水套；流动与传热；流固耦合

中图分类号：ＴＫ４２４

文献标志码：Ａ文章编号：０２５３－９８７Ｘ（２００９）０３－００１７一０５

ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒＦｌｏｗａｎｄＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒｏｆＥｎｇｉｎｅＣｏｏｌａｎｔ

ＬＩＢａｏｔｏｎｇ，ＨＯＮＧＪｕｎ，ＳＵＮＪｉｎｇ，ＸＵＨａｉｂｏ，ＱｌＵＺｈｉｈｕｉ，ＰＡＮＳｈｉｙｉ

（ｓｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒ

ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００４９。Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｅｎｇｉｎｅｃｏｏｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｌｏａｄｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａ—

ｔｕｒｅ

ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ

ｔＯ

ｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒａｔｉｏｎａＩｈｅａｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ａｎｄ

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ｅｎｇｉｎｅｃｏｏｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｓｏｆｔｗａｒｅＡＶｌ一ＦＩＲＥｗａｓｃａｒｒｉｅｄＯｕｔｆｏｒ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｏｌｉｎｇｊａｃｋｅｔ；ｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ；ｆｌｕｉｄ－ｓｏｌｉｄ

ｐｉｉｎｇ

ＣＯＵ—

随着发动机强化程度的不断提升，热负荷越来约占燃料总热量的２０％＂－一３０％，通过缸盖传出的热量约占发动机传给冷却液全部热量的５０％～

越高，试验证明发动机缸内气体的最高燃烧温度可

达２

５００

Ｋ，在燃烧期间，传给燃烧室壁面的热流量

６５％［¨．为了保证发动机正常工作，必须很好地组织受热零部件的冷却过程，而作为发动机冷却系统的

密度可达１０Ｍｗ／ｍｚ以上，燃气传给冷却液的热量

收稿日期：２００８—０９—０１．

基金项目：国作者简介：李宝童（１９８２一），男，博士生；洪军（联系人）。男，教授，博士生导师．

家自然科学基金资助项目（５０６７５１７３）；国家高技术研究发展计划资助项目（２００７ＡＡ０４２１１８）；陕西省科学技术研究发展计划资助项目（２００８ＫＷ－０７）．

万方数据　

１８西安交通大学学报

第４３卷

重要组成部分，水套中冷却液的ｊ维流动与传热是

最主要的问题，它直接影响到发动机的冷却效率、高温零件的热负荷以及整机的热量合理分配与利用．目前，计算流体力学（ＣＦＤ）已经成为分析水套冷却

能力的有效手段［引，通过三维数值模拟的方法获得冷却液在水套中的速度场、温度场和压力场等信息，从而为冷却系统的优化设计提供了重要的理论依

据，同时也可为燃烧室部件的强度分析提供了重要

的边界条件．

近年来，随着多物理场耦合技术的发展，流固耦

合传热计算方法已逐渐被应用于冷却水套的设计计算当中［３］，从而提供了更为准确的热边界条件．冷却水套结构复杂，又封闭在机体内部，因此不易观察和

测量．现有的发动机冷却液流场试验ｒ４＿５］只能观察到

冷却水套内的特定位置或者局部区域的流场分布情

况，而无法得到所有位置的流场数据，这一方面使研究者很难全面了解冷却水套复杂三维几何尺寸的详细信息，另一方面又制约了试验数据对于水套冷却

性能优化设计的指导作用。为此，本文以实现发动机

冷却水套三维流场形态可视化为目标，构建了与实际冷却水套三维尺寸成ｌ：ｌ的水套试验件模型，并

对模拟工况下试验件的强度与管路系统的压力损失进行了验证计算，为冷却水套流场试验平台的搭建

提供了理论指导．

１发动机冷却水套的分析模型

１．１几何模型及计算网格的建立

本文以ＢＹＤ４８３Ｑ直列４缸发动机为研究对

象，其主要技术参数为：缸径８３ＩＴｌＩｎ，行程８５

ＩＴｌｌＴＩ，

排量１．８３９Ｌ，压缩比９．０，标定点功率９０ｋＷ，转速６

０００

ｒ／ｍｉｎ，标定点扭矩１６０Ｎ・ｍ，转速

４５００

ｒ／ｒａｉｎ．

该机型采用整体式冷却方式，冷却液从水泵入口流入，然后进入缸体水套入口，经过缸体进气侧和排气侧流向缸体后端，同时一部分冷却液经过缸体上水孔及缸垫流入缸盖水套，最后经缸盖水套出口流出，如图１所示．南于实际的冷却液流动区域具有

不规则且复杂的几何外形，为了保证计算的准确性，

在划分网格时应尽量保持计算区域与实际流动区域相一致．考虑冷却水套的设计特点，在网格划分中水

套主体部分采用非结构化的六面体网格，局部采用非结构化的多面体网格，将水套的三维ＣＡＤ模型

通过转换文件ＳＴＬ输人到软件ＡＶＬ．ＦＩＲＥ的前处

理模块ＦＡＭＥ中进行网格划分．整体冷却水套计算

万　

方数据模型的总网格数为１５０万，其中六面体网格占９１．０７％，四面体网格占０．０５％，金字塔型网格占２．９３％，棱柱网格占５．９５％．

图１冷却水套的计算区域

１．２数学模型及边界条件的建立１．２．１数学模型

冷却液选用体积分数均为５０％

的水和乙二醇混合液，密度为１．０２４ｋｇ／ｍ３，温度为

３６３

Ｋ．采用稳态计算模式，在计算过程中认为冷却

液在水套内的流动状态是有热交换、不可压缩的湍流流动．采用有限体积法把计算区域划分为离散的控制体网格，在每个控制体体积上进行控制方程积分，形成计算变量的代数方程．流体运动通用控制方程组为

１，、

ｏ

ｔ＿＿Ｗ，＿。ｑ２＋ｄｉｖ（ｐ“９）一ｄｉｖ（Ｄｇｒａｄｌ９０）＋≮

ｃ，￡

式中：ｐ为通用变量；Ｐ为密度；Ｈ为速度；／－及Ｓ分别为广义扩散系数及广义源项．当妒取值不同时，此式可以表达成连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和ｋ－ｅ湍流模型．

１．２．２入口、壁面和出口边界条件发动机在标定工况下（６

０００

ｒ／ｍｉｎ）的水泵流量为２．５ｋｇ／ｓ，湍动

能为０．０２ｍ２／ｓ２，湍动能尺度为ｌｍｍ．由于冷却液的温度分布状态与其流过的缸体、缸盖的温度分布是互相联系的，因此可利用流固耦合的方法将冷却

水套的ＣＦＤ计算与缸体、缸盖的温度场有限元

ＦＥＡ的计算联合起来，实现流固交界面数据的反复迭代（如图２所示），从而得到满足精度要求的由冷

却水套ＣＦＤ计算的传热边界条件．由于如模型只

适用于离开壁面一定距离的湍流区域，因此对于壁

面附近的区域可采用标准壁面函数法来处理．由于

缸盖水套出ＶＩ连接了较长的出水管，所以按照流场充分发展进行处理，即给定任何物理量的梯度为０．１．２．３缸体缸盖温度场的计算边界条件缸体缸盖流固接触面的换热系数南冷却水套ＣＦＤ计算得出，缸套内表面燃气温度与对流换热系数由文献［６３

推荐的经验公式计算得到．缸体缸盖暴露于空气的

第３期

李宝童，等：发动机冷却液流动与传热的数值模拟１９

表面环境温度Ｔ为２９３Ｋ，换热系数艿为

２３

度分布云图以及各个区域的平均速度折线图，由图可知，缸体水套内基本没有流动死区出现，从而杜绝了形成蒸汽囊的可能性．在图３ａ中，１缸Ｂ区流速大于Ａ区，相差１ｍ／ｓ左右，而２，３、４缸Ａ区的流速则大于Ｂ区，相差０．１ｍ／ｓ左右，这是因为人水口在１缸下部，可以通过调整入水口位置使ｌ缸上部的流速大于下部的流速，并且适当增加２、３、４缸的

ｗ／（ｍ２・Ｋ），与机油接触的缸盖顶部表面、油道

Ｋ，换热系数为

及缸体裙部的油温为４１０

２００

ｗ／（ｍ２・Ｋ）．燃烧室顶部的燃气温度为Ｋ，换热系数为７２５ｗ／（ｍ２・Ｋ），进气道温度

Ｋ，换热系数为３００ｗ／（ｍ２・Ｋ）．

ｌ２８６

为３１０Ｋ，换热系数为２１０ｗ／（ｍｚ・Ｋ），排气道温度为１

０４０

上下部流速差值．另外，缸体水套上部流速较大（大

于０．５ｍ／ｓ）。同时各缸排气侧流速均大于进气测流

速，符合冷却要求．由于缸盖采用纵流的冷却方式，

因此从１缸到４缸的流速逐渐增大，１缸的平均流速为０．７５８ｍ／ｓ，２缸为１．０２３ｍ／ｓ，３缸为１．５８１

（ａ）流体计算区域模型（冷却液）

ｍ／ｓ，４缸为２．４０７ｍ／ｓ．发动机缸盖热负荷较高的区域是缸盖底部，在进排气门座与喷油嘴之间的“鼻梁

区”的热负荷最高．图３ｂ给出了缸盖伽剖面下“鼻

梁区”的流速矢量图，南图可知，两排气门之间的“鼻梁区”由于排气侧和火花塞部位流出的冷却水发生交汇、冲撞而形成漩涡，造成冷却液流速降低，使得冷却效果减弱．因此，可以通过加入导流板来改善这

（ｂ）固体计算区域模型（缸体缸盖）图２冷却水套流固耦合传热计算模型

一区域的冷却液流动情况．２．２流量分布与压力损失评价

对于多缸发动机，需尽量保证各缸流量均匀，以

２发动机冷却液流动与传热分析

针对所研究问题的具体情况，本文主要对气缸套外壁面与缸盖鼻梁区的冷却液流动与传热、各缸流动均匀性及冷却系统的压力损失进行了分析．２．１速度场分布

防止造成局部过热．表１列出了各缸的流量数据，其

中流量不均匀性等于单缸的理想流量（单缸实际流量减去单缸理想流量）．

表ｌ各缸流量均匀性对比

为方便分析并使对比结果明确清楚，将缸体内

侧水套划分为上半区域（Ａ区）和下半区域（Ｂ区）．由于Ａ区对缸套上部冷却效果影响显著，因此将其

沿圆周方向再均匀划分为排气侧、水泵侧、进气侧和

飞轮侧４个区域．图３给出了缸体水套内表面的速

（ａ）缸体水套内表面速度分布（ｂ）缸盖水套鼻梁区速度分布

图３冷却水套速度场的分布

ｂ－１：（２－ａ剖面下缸盖的水套流场分布；扣２：缸盖水套鼻梁区流场分布（放大）

万方数据　

西安交通大学学报

第４３卷

由表１中数据可知：１、２缸流量比较接近理想流量，不均匀性不超过５％；３缸由于分水孔９的堵塞使流量与理想流量相差较大，不均匀性为１３％左右；４缸由于添加了分水孔１３而使流量较大，可以

通过调整３、４缸的分水孔来控制两缸的流量以保证

均匀性．为了防止穴蚀，水流沿程的流速和压力不应

形成强烈的变化，整个水套的总压力损失为

４６．４

ｋＰａ，其中缸体的压力损失所占比率为

２５．５５％，缸垫的占４．７５％，缸盖的占６９．７０％，与同类机型相比，处于合理范围内，能够保证冷却液在水套内充分流动．

２．３换热系数与温度分布

如图４ａ所示，水套的表面换热系数与冷却液速度分布密切相关，但高速区的表面换热系数则相对

较高，低速区的表面换热系数则相对较低．整体水套

的换热系数平均值为８

７５２．６８

ｗ／（ｍ２・Ｋ），缸体

水套换热系数的平均值为６

５４２．２１

ｗ／（ｍ２・Ｋ），

缸盖水套换热系数平均值为１１

７１６．７０

Ｗ／（ｍｚ・

Ｋ），都已经达到了可以接受的范围．图４ｂ是发动机

冷却液温度场的分布。随着冷却过程的进行，特别是

缸盖部位，冷却液温度逐渐升高，水套表面换热系数也逐步增大，使得整体温度场趋于一致（３６０Ｋ左

右），从而使缸体缸盖整体变形比较均匀．

（ａ）表面换热系数

（ｂ）温度场分布

图４冷却水套的温度场及换热系数分布

３发动机冷却水套试验件模型

由于冷却水套结构复杂，又封闭于机体内部，所

以无法得到现有冷却液流动试验的完整流场数据，因此限制了试验手段对于水套结构优化设计的指导作用．针对上述不足，在详细分析水套三维尺寸信息

的基础上，对水套实体模型的各个曲面进行偏置处

万　

方数据理和布尔运算，构建出与三维尺寸成１：１且具有中空特征和一定壁厚的冷却水套试验件模型，其中缸‘体水套试验件模型肇厚为３ｍｍ（如图５ａ所示），缸盖水套试验件模型壁厚为３～６ｍｍ（如图５ｂ所示）．以该试验件模型为指导，结合具体的结构特点，通过选择合适的透光材料与成型方法，即可制备出完全反映发动机冷却水套的结构特征，并且可直接用于全流场观测的水套试验件，从而实现了发动机冷却液全流场形态的可视化．

对于缸体水套试验件，由于其结构特征相对简单、规则，因此可选用有机玻璃（透光率达到９２％）作为成型材料，采用数控加工的方式并按照对称原则将其分为ｉ部分进行制备．对于缸盖水套试验件，由于结构复杂且很不规则，采用数控加工（去除材料）的方式制备难度很大，因此可选择具有良好透光

性的光固化树脂（如１１１２２低密度聚乙烯树脂）作为

成型材料，并采用快速成型（累积材料）的方式进行制备．

（ａ）缸体水套（ｂ）缸盖水套

图５冷却水套试验件模型

试验管路系统的流动区域比较复杂，系统的能量损失包括沿程压力损失与局部压力损失，因此需

要计算整个管路流动区域的压力损失，以判断管路

设计是否合理．如图６所示，在ＡＶＩ，ＦＩＲＥ中构建

整个管路系统的ＣＦＤ模型，按照发动机额定工况施

加边界条件，计算得到试验丁况下的压力损失分布如图６ａ所示．由计算结果可知，整个管路系统的压力损失为９７ｋＰａ。因此水泵扬程需大于该值才能满

足试验压力供给的要求．

冷却水套试验件作为核心部件，由于其结构复杂且为了保证试验过程中具有良好的透光性，在建模过程中使得各处壁厚相对较薄，因此需要对其进行强度校核．将模拟工况下冷却水套试验件的ＣＦＤ压力场数据作为边界条件导人强度校核有限元模型

中，计算得到该工况下的应力分布如图６ｂ所示．由计算结果可知，缸体水套试验件所承受的最大应力

为１９ＭＰａ，缸盖水套试验件为７ＭＰａ．参照有机玻

璃与光固化树脂的力学性能参数，可得缸体、缸盖水

套试验件的静强度安全系数分别为４．６和８．８，该

第３期李宝童．等：发动机冷却液流动与传热的数值模拟

２１

Ｃａ）试验管路系统压力损失计算（ｂ）冷却水套试验件强度计算

图６冷却水套试验件模型验证计算

结果证明了冷却水套试验件的壁厚可以满足试验强度的要求．

１９一ＺＺ．

ＬＩＹｉｎｇ．ＣＨＥＮ

Ｈｏｎｇｙａｎ，ＹＵＸｉａｏｌＬ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆ

ｍｅｔｈｏｄ

ｉｎ

ｌｉｑｕｉｄ—ｓｏｌｉｄｃｏｕｐｌｅｄ

ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ａｎ

４结论

本文利用流固耦合的方法，将冷却水套的流场

计算与缸体、缸盖的温度场计算联合起来，结合ＣＦＤ软件与ＦＥＡ软件之间的反复迭代确定了满足精度要求的冷却水套壁面传热边界条件，计算了４缸发动机冷却水套内冷却液的ｊ维流动、压力及传热特性，获得了大量流场信息．在此基础上，对冷却

ｓｔｅａｄｙｈｅａｔ

ｎｅｓｅ

ｔｒａｎｓｆｅｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆ

ｅｎｇｉｎｅ

ＥＪ］．Ｃｈｉ—

ＩｎｔｅｒｎａｌＣｏｍｂｕｓｔｍｎＥｎｇｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。２００７。

２８（４）：１９－２２．

［４］朱义伦，邓康耀．发动机缸头冷却水流场试验研究

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ＺＨＵＹｉｌｕｎ，ＤＥＮＧＫａｎｇｙａｏ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｉｎｖｅｓｔｉｇａ—

ｔｉｏｎ

ｏｎ

ｔｈｅｗａｔｅｒｃｏｏｌａｎｔｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｅｎｇｉｎｅｃｙｌｉｎｄｅｒ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．

ｈｅａｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇ

２０００，３４（４）：４６３－４６５．

水套三维尺寸特征进行了详细分析，并构建了与实

际水套ｉ维尺寸成ｌ：ｌ的水套试验件模型，结合模

［５］屈盛官．夏伟．高强化柴油机气缸套周围冷却水流动的

数值模拟和试验研究［Ｊ］．内燃机工程，２００４，２５（４）：

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型的结构特点讨论了试验件的制备方案，并对模拟工况下试验件的强度与管路系统的压力损失进行了验证计算，从而为冷却水套流场试验平台的搭建提

供了理论指导．参考文献：

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Ｅ２］白敏丽，吕继组，丁铁新．六缸柴油机冷却系统流动与

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［６］王希珍．严兆大，周军．柴油机缸套热负荷评估的分析

及实验研究方法［Ｊ］．内燃机工程。２００１，２２（４）：６２—

６５．

ＷＡＮＧＸｉｚｈｅｎ。ＹＡＮＺｈａｏｄａ。ＺＨＯＵＪｕｎ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ

ａｎｄ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｒｍａｌｌｏａｄ

ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｆｏｒ

Ｍｉｎｌｉ。ＬＯＪｉｚｕ。ＤＩＮＧ

ｏｎ

ＴｉｅｘｉｒＬＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａ—

ａ

ｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ

ｃｙｌｉｎｄｅｒｌｉｎｅｒ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＩｎｔｅｒｎａｌ

Ｃｏｍ－

ｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔ

ｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｃｏｏｌｉｎｇｓｙｓｔＬ簋＇ｎｉｎ

ｂｕｓｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００１。２２（４）：６２—６５．

ｓｉｘ－ｃｙｌｉｎｄｅｒ

ｄｉｅｓｅｌ

ｅｎｇｉｎｅ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆ

ＣＳＩＣＥ，

２００４，２２（６）：５２５－５３０．

（编辑管咏梅）

［３］李迎，陈红岩。俞小莉．流固耦合仿真技术在发动机稳

态传热计算中的应用［Ｊ］．内燃机工程，２００７，２８（４）：

万方数据　

发动机冷却液流动与传热的数值模拟

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

李宝童， 洪军， 孙静， 徐海波， 邱志惠， 潘世翼， LI Baotong， HONG Jun， SUN Jing ， XU Haibo， QIU Zhihui， PAN Shiyi

西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安西安交通大学学报

JOURNAL OF XI'AN JIAOTONG UNIVERSITY2009,43(3)1次

参考文献(6条)

1. 姚仲鹏;王新国 车辆冷却传热 2001

2. 王希珍;严兆大;周军 柴油机缸套热负荷评估的分析及实验研究方法[期刊论文]-内燃机工程 2001(04)3. 屈盛官;夏伟 高强化柴油机气缸套周围冷却水流动的数值模拟和试验研究[期刊论文]-内燃机工程 2004(04)4. 朱义伦;邓康耀 发动机缸头冷却水流场试验研究[期刊论文]-上海交通大学学报 2000(04)

5. 李迎;陈红岩;俞小莉 流固耦合仿真技术在发动机稳态传热计算中的应用[期刊论文]-内燃机工程 2007(04)6. 白敏丽;吕继组;丁铁新 六缸柴油机冷却系统流动与传热的数值模拟研究[期刊论文]-内燃机学报 2004(06)

引证文献(1条)

1. 张卫正. 刘晓. 向长虎. 原彦鹏 高强化柴油机喷雾射流对缸盖热负荷影响的研究[期刊论文]-汽车工程 2011(2)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xajtdxxb200903004.aspx

第４３卷第３期２００９年３月

西安交通大学学报

Ｖｂｌ．４３№３Ｍａｔ．２００９

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＸＩ’ＡＮＪＩＡＯＴＯＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ

发动机冷却液流动与传热的数值模拟

李宝童，洪军，孙静，徐海波，邱志惠，潘世翼

（西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，７１００４９，西安）

摘要：为了提高发动机的冷却效率、降低高温零件的热负荷、实现整机的热量合理分配与利用，针对冷却水套优化设计中存在的冷却液三维流动与传热问题，以直列４缸发动机为研究对象，利用流

固耦合的方法确定冷却水套壁面的传热边界条件，采用计算流体动力学软件ＡＶＩＴＦＩＲＥ对发动机冷却系统进行三维数值模拟，并对冷却水套内冷却液的流场分布、温度分布、壁面换热系数、各缸冷却均匀性和压力损失进行了分析．在此基础上，为了实现发动机冷却水套三维流场形态的可视化，

构建了与实际冷却水套三维尺寸成ｌ：ｌ的水套试验件模型，结合其结构特点讨论了试验件的制备方案，并对模拟工况下试验件的强度与管路系统的压力损失进行了验证计算，从而进一步为冷却水套的优化设计提供了理论与试验依据．

关键词：发动机；数值模拟；冷却水套；流动与传热；流固耦合

中图分类号：ＴＫ４２４

文献标志码：Ａ文章编号：０２５３－９８７Ｘ（２００９）０３－００１７一０５

ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒＦｌｏｗａｎｄＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒｏｆＥｎｇｉｎｅＣｏｏｌａｎｔ

ＬＩＢａｏｔｏｎｇ，ＨＯＮＧＪｕｎ，ＳＵＮＪｉｎｇ，ＸＵＨａｉｂｏ，ＱｌＵＺｈｉｈｕｉ，ＰＡＮＳｈｉｙｉ

（ｓｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒ

ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００４９。Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｅｎｇｉｎｅｃｏｏｌｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｌｏａｄｏｆｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａ—

ｔｕｒｅ

ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ

ｔＯ

ｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒａｔｉｏｎａＩｈｅａｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

ａｎｄ

ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ．ａｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ

ｅｎｇｉｎｅｃｏｏｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｓｏｆｔｗａｒｅＡＶｌ一ＦＩＲＥｗａｓｃａｒｒｉｅｄＯｕｔｆｏｒ

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ｔｈｅｅｎｇｉｎｅｊａｃｋｅｔｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ．Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｂｏｕｎｄａｒｙｏｆｗａｔｅｒｊａｃｋｅｔｗａｓｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｏｕｐｌｅｄｌｉｑｕｉｄ－ｓｏｌｉｄｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｃｏｏｌｉｎｇ

ｗａｔｅｒ，ｔｈｅｈｅａｔｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅｉｎｎｅｒｗａｌｌ，ｔｈｅｃｏｏｌｉｎｇ

ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ

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ａｎｄｔｈｅｗｈｏｌｅｐｒｅｓｓｕｒｅｌｏｓｓｆｏｒｔｈｅｅｎｇｉｎｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆ３Ｄｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅｃｏｏｌａｎｔ，ｏｎｅ

ｔＯ

ｏｎｅ

ｓｃａｌｅ３Ｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ

ｐａｒｔ

ｍｏｄｅｌｏｆｃｏｏｌｉｎｇｊａｃｋｅｔｗａｓ

ｔｏ

ｃｏｎ－

ｓｔｒｕｃｔｅｄａｎｄｉｔｓｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｗａｓａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇＴｈｅｎｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄ

ｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｓ．

ｔＯ

ｌＯＳＳｏｆｔｈｅｐｉｐｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅａｌｓｏｓｉｍｕｌａｔｅｄ

ｖｅｒｉｆｙ

ｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｏｌｉｎｇｊａｃｋｅｔ；ｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒ；ｆｌｕｉｄ－ｓｏｌｉｄ

ｐｉｉｎｇ

ＣＯＵ—

随着发动机强化程度的不断提升，热负荷越来约占燃料总热量的２０％＂－一３０％，通过缸盖传出的热量约占发动机传给冷却液全部热量的５０％～

越高，试验证明发动机缸内气体的最高燃烧温度可

达２

５００

Ｋ，在燃烧期间，传给燃烧室壁面的热流量

６５％［¨．为了保证发动机正常工作，必须很好地组织受热零部件的冷却过程，而作为发动机冷却系统的

密度可达１０Ｍｗ／ｍｚ以上，燃气传给冷却液的热量

收稿日期：２００８—０９—０１．

基金项目：国作者简介：李宝童（１９８２一），男，博士生；洪军（联系人）。男，教授，博士生导师．

家自然科学基金资助项目（５０６７５１７３）；国家高技术研究发展计划资助项目（２００７ＡＡ０４２１１８）；陕西省科学技术研究发展计划资助项目（２００８ＫＷ－０７）．

万方数据　

１８西安交通大学学报

第４３卷

重要组成部分，水套中冷却液的ｊ维流动与传热是

最主要的问题，它直接影响到发动机的冷却效率、高温零件的热负荷以及整机的热量合理分配与利用．目前，计算流体力学（ＣＦＤ）已经成为分析水套冷却

能力的有效手段［引，通过三维数值模拟的方法获得冷却液在水套中的速度场、温度场和压力场等信息，从而为冷却系统的优化设计提供了重要的理论依

据，同时也可为燃烧室部件的强度分析提供了重要

的边界条件．

近年来，随着多物理场耦合技术的发展，流固耦

合传热计算方法已逐渐被应用于冷却水套的设计计算当中［３］，从而提供了更为准确的热边界条件．冷却水套结构复杂，又封闭在机体内部，因此不易观察和

测量．现有的发动机冷却液流场试验ｒ４＿５］只能观察到

冷却水套内的特定位置或者局部区域的流场分布情

况，而无法得到所有位置的流场数据，这一方面使研究者很难全面了解冷却水套复杂三维几何尺寸的详细信息，另一方面又制约了试验数据对于水套冷却

性能优化设计的指导作用。为此，本文以实现发动机

冷却水套三维流场形态可视化为目标，构建了与实际冷却水套三维尺寸成ｌ：ｌ的水套试验件模型，并

对模拟工况下试验件的强度与管路系统的压力损失进行了验证计算，为冷却水套流场试验平台的搭建

提供了理论指导．

１发动机冷却水套的分析模型

１．１几何模型及计算网格的建立

本文以ＢＹＤ４８３Ｑ直列４缸发动机为研究对

象，其主要技术参数为：缸径８３ＩＴｌＩｎ，行程８５

ＩＴｌｌＴＩ，

排量１．８３９Ｌ，压缩比９．０，标定点功率９０ｋＷ，转速６

０００

ｒ／ｍｉｎ，标定点扭矩１６０Ｎ・ｍ，转速

４５００

ｒ／ｒａｉｎ．

该机型采用整体式冷却方式，冷却液从水泵入口流入，然后进入缸体水套入口，经过缸体进气侧和排气侧流向缸体后端，同时一部分冷却液经过缸体上水孔及缸垫流入缸盖水套，最后经缸盖水套出口流出，如图１所示．南于实际的冷却液流动区域具有

不规则且复杂的几何外形，为了保证计算的准确性，

在划分网格时应尽量保持计算区域与实际流动区域相一致．考虑冷却水套的设计特点，在网格划分中水

套主体部分采用非结构化的六面体网格，局部采用非结构化的多面体网格，将水套的三维ＣＡＤ模型

通过转换文件ＳＴＬ输人到软件ＡＶＬ．ＦＩＲＥ的前处

理模块ＦＡＭＥ中进行网格划分．整体冷却水套计算

万　

方数据模型的总网格数为１５０万，其中六面体网格占９１．０７％，四面体网格占０．０５％，金字塔型网格占２．９３％，棱柱网格占５．９５％．

图１冷却水套的计算区域

１．２数学模型及边界条件的建立１．２．１数学模型

冷却液选用体积分数均为５０％

的水和乙二醇混合液，密度为１．０２４ｋｇ／ｍ３，温度为

３６３

Ｋ．采用稳态计算模式，在计算过程中认为冷却

液在水套内的流动状态是有热交换、不可压缩的湍流流动．采用有限体积法把计算区域划分为离散的控制体网格，在每个控制体体积上进行控制方程积分，形成计算变量的代数方程．流体运动通用控制方程组为

１，、

ｏ

ｔ＿＿Ｗ，＿。ｑ２＋ｄｉｖ（ｐ“９）一ｄｉｖ（Ｄｇｒａｄｌ９０）＋≮

ｃ，￡

式中：ｐ为通用变量；Ｐ为密度；Ｈ为速度；／－及Ｓ分别为广义扩散系数及广义源项．当妒取值不同时，此式可以表达成连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和ｋ－ｅ湍流模型．

１．２．２入口、壁面和出口边界条件发动机在标定工况下（６

０００

ｒ／ｍｉｎ）的水泵流量为２．５ｋｇ／ｓ，湍动

能为０．０２ｍ２／ｓ２，湍动能尺度为ｌｍｍ．由于冷却液的温度分布状态与其流过的缸体、缸盖的温度分布是互相联系的，因此可利用流固耦合的方法将冷却

水套的ＣＦＤ计算与缸体、缸盖的温度场有限元

ＦＥＡ的计算联合起来，实现流固交界面数据的反复迭代（如图２所示），从而得到满足精度要求的由冷

却水套ＣＦＤ计算的传热边界条件．由于如模型只

适用于离开壁面一定距离的湍流区域，因此对于壁

面附近的区域可采用标准壁面函数法来处理．由于

缸盖水套出ＶＩ连接了较长的出水管，所以按照流场充分发展进行处理，即给定任何物理量的梯度为０．１．２．３缸体缸盖温度场的计算边界条件缸体缸盖流固接触面的换热系数南冷却水套ＣＦＤ计算得出，缸套内表面燃气温度与对流换热系数由文献［６３

推荐的经验公式计算得到．缸体缸盖暴露于空气的

第３期

李宝童，等：发动机冷却液流动与传热的数值模拟１９

表面环境温度Ｔ为２９３Ｋ，换热系数艿为

２３

度分布云图以及各个区域的平均速度折线图，由图可知，缸体水套内基本没有流动死区出现，从而杜绝了形成蒸汽囊的可能性．在图３ａ中，１缸Ｂ区流速大于Ａ区，相差１ｍ／ｓ左右，而２，３、４缸Ａ区的流速则大于Ｂ区，相差０．１ｍ／ｓ左右，这是因为人水口在１缸下部，可以通过调整入水口位置使ｌ缸上部的流速大于下部的流速，并且适当增加２、３、４缸的

ｗ／（ｍ２・Ｋ），与机油接触的缸盖顶部表面、油道

Ｋ，换热系数为

及缸体裙部的油温为４１０

２００

ｗ／（ｍ２・Ｋ）．燃烧室顶部的燃气温度为Ｋ，换热系数为７２５ｗ／（ｍ２・Ｋ），进气道温度

Ｋ，换热系数为３００ｗ／（ｍ２・Ｋ）．

ｌ２８６

为３１０Ｋ，换热系数为２１０ｗ／（ｍｚ・Ｋ），排气道温度为１

０４０

上下部流速差值．另外，缸体水套上部流速较大（大

于０．５ｍ／ｓ）。同时各缸排气侧流速均大于进气测流

速，符合冷却要求．由于缸盖采用纵流的冷却方式，

因此从１缸到４缸的流速逐渐增大，１缸的平均流速为０．７５８ｍ／ｓ，２缸为１．０２３ｍ／ｓ，３缸为１．５８１

（ａ）流体计算区域模型（冷却液）

ｍ／ｓ，４缸为２．４０７ｍ／ｓ．发动机缸盖热负荷较高的区域是缸盖底部，在进排气门座与喷油嘴之间的“鼻梁

区”的热负荷最高．图３ｂ给出了缸盖伽剖面下“鼻

梁区”的流速矢量图，南图可知，两排气门之间的“鼻梁区”由于排气侧和火花塞部位流出的冷却水发生交汇、冲撞而形成漩涡，造成冷却液流速降低，使得冷却效果减弱．因此，可以通过加入导流板来改善这

（ｂ）固体计算区域模型（缸体缸盖）图２冷却水套流固耦合传热计算模型

一区域的冷却液流动情况．２．２流量分布与压力损失评价

对于多缸发动机，需尽量保证各缸流量均匀，以

２发动机冷却液流动与传热分析

针对所研究问题的具体情况，本文主要对气缸套外壁面与缸盖鼻梁区的冷却液流动与传热、各缸流动均匀性及冷却系统的压力损失进行了分析．２．１速度场分布

防止造成局部过热．表１列出了各缸的流量数据，其

中流量不均匀性等于单缸的理想流量（单缸实际流量减去单缸理想流量）．

表ｌ各缸流量均匀性对比

为方便分析并使对比结果明确清楚，将缸体内

侧水套划分为上半区域（Ａ区）和下半区域（Ｂ区）．由于Ａ区对缸套上部冷却效果影响显著，因此将其

沿圆周方向再均匀划分为排气侧、水泵侧、进气侧和

飞轮侧４个区域．图３给出了缸体水套内表面的速

（ａ）缸体水套内表面速度分布（ｂ）缸盖水套鼻梁区速度分布

图３冷却水套速度场的分布

ｂ－１：（２－ａ剖面下缸盖的水套流场分布；扣２：缸盖水套鼻梁区流场分布（放大）

万方数据　

西安交通大学学报

第４３卷

由表１中数据可知：１、２缸流量比较接近理想流量，不均匀性不超过５％；３缸由于分水孔９的堵塞使流量与理想流量相差较大，不均匀性为１３％左右；４缸由于添加了分水孔１３而使流量较大，可以

通过调整３、４缸的分水孔来控制两缸的流量以保证

均匀性．为了防止穴蚀，水流沿程的流速和压力不应

形成强烈的变化，整个水套的总压力损失为

４６．４

ｋＰａ，其中缸体的压力损失所占比率为

２５．５５％，缸垫的占４．７５％，缸盖的占６９．７０％，与同类机型相比，处于合理范围内，能够保证冷却液在水套内充分流动．

２．３换热系数与温度分布

如图４ａ所示，水套的表面换热系数与冷却液速度分布密切相关，但高速区的表面换热系数则相对

较高，低速区的表面换热系数则相对较低．整体水套

的换热系数平均值为８

７５２．６８

ｗ／（ｍ２・Ｋ），缸体

水套换热系数的平均值为６

５４２．２１

ｗ／（ｍ２・Ｋ），

缸盖水套换热系数平均值为１１

７１６．７０

Ｗ／（ｍｚ・

Ｋ），都已经达到了可以接受的范围．图４ｂ是发动机

冷却液温度场的分布。随着冷却过程的进行，特别是

缸盖部位，冷却液温度逐渐升高，水套表面换热系数也逐步增大，使得整体温度场趋于一致（３６０Ｋ左

右），从而使缸体缸盖整体变形比较均匀．

（ａ）表面换热系数

（ｂ）温度场分布

图４冷却水套的温度场及换热系数分布

３发动机冷却水套试验件模型

由于冷却水套结构复杂，又封闭于机体内部，所

以无法得到现有冷却液流动试验的完整流场数据，因此限制了试验手段对于水套结构优化设计的指导作用．针对上述不足，在详细分析水套三维尺寸信息

的基础上，对水套实体模型的各个曲面进行偏置处

万　

方数据理和布尔运算，构建出与三维尺寸成１：１且具有中空特征和一定壁厚的冷却水套试验件模型，其中缸‘体水套试验件模型肇厚为３ｍｍ（如图５ａ所示），缸盖水套试验件模型壁厚为３～６ｍｍ（如图５ｂ所示）．以该试验件模型为指导，结合具体的结构特点，通过选择合适的透光材料与成型方法，即可制备出完全反映发动机冷却水套的结构特征，并且可直接用于全流场观测的水套试验件，从而实现了发动机冷却液全流场形态的可视化．

对于缸体水套试验件，由于其结构特征相对简单、规则，因此可选用有机玻璃（透光率达到９２％）作为成型材料，采用数控加工的方式并按照对称原则将其分为ｉ部分进行制备．对于缸盖水套试验件，由于结构复杂且很不规则，采用数控加工（去除材料）的方式制备难度很大，因此可选择具有良好透光

性的光固化树脂（如１１１２２低密度聚乙烯树脂）作为

成型材料，并采用快速成型（累积材料）的方式进行制备．

（ａ）缸体水套（ｂ）缸盖水套

图５冷却水套试验件模型

试验管路系统的流动区域比较复杂，系统的能量损失包括沿程压力损失与局部压力损失，因此需

要计算整个管路流动区域的压力损失，以判断管路

设计是否合理．如图６所示，在ＡＶＩ，ＦＩＲＥ中构建

整个管路系统的ＣＦＤ模型，按照发动机额定工况施

加边界条件，计算得到试验丁况下的压力损失分布如图６ａ所示．由计算结果可知，整个管路系统的压力损失为９７ｋＰａ。因此水泵扬程需大于该值才能满

足试验压力供给的要求．

冷却水套试验件作为核心部件，由于其结构复杂且为了保证试验过程中具有良好的透光性，在建模过程中使得各处壁厚相对较薄，因此需要对其进行强度校核．将模拟工况下冷却水套试验件的ＣＦＤ压力场数据作为边界条件导人强度校核有限元模型

中，计算得到该工况下的应力分布如图６ｂ所示．由计算结果可知，缸体水套试验件所承受的最大应力

为１９ＭＰａ，缸盖水套试验件为７ＭＰａ．参照有机玻

璃与光固化树脂的力学性能参数，可得缸体、缸盖水

套试验件的静强度安全系数分别为４．６和８．８，该

第３期李宝童．等：发动机冷却液流动与传热的数值模拟

２１

Ｃａ）试验管路系统压力损失计算（ｂ）冷却水套试验件强度计算

图６冷却水套试验件模型验证计算

结果证明了冷却水套试验件的壁厚可以满足试验强度的要求．

１９一ＺＺ．

ＬＩＹｉｎｇ．ＣＨＥＮ

Ｈｏｎｇｙａｎ，ＹＵＸｉａｏｌＬ

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆ

ｍｅｔｈｏｄ

ｉｎ

ｌｉｑｕｉｄ—ｓｏｌｉｄｃｏｕｐｌｅｄ

ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ａｎ

４结论

本文利用流固耦合的方法，将冷却水套的流场

计算与缸体、缸盖的温度场计算联合起来，结合ＣＦＤ软件与ＦＥＡ软件之间的反复迭代确定了满足精度要求的冷却水套壁面传热边界条件，计算了４缸发动机冷却水套内冷却液的ｊ维流动、压力及传热特性，获得了大量流场信息．在此基础上，对冷却

ｓｔｅａｄｙｈｅａｔ

ｎｅｓｅ

ｔｒａｎｓｆｅｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆ

ｅｎｇｉｎｅ

ＥＪ］．Ｃｈｉ—

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水套三维尺寸特征进行了详细分析，并构建了与实

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Ｍｉｎｌｉ。ＬＯＪｉｚｕ。ＤＩＮＧ

ｏｎ

ＴｉｅｘｉｒＬＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａ—

ａ

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ｃｙｌｉｎｄｅｒｌｉｎｅｒ［Ｊ］．ＣｈｉｎｅｓｅＩｎｔｅｒｎａｌ

Ｃｏｍ－

ｆｌｏｗａｎｄｈｅａｔ

ｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｃｏｏｌｉｎｇｓｙｓｔＬ簋＇ｎｉｎ

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万方数据　

发动机冷却液流动与传热的数值模拟

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

李宝童， 洪军， 孙静， 徐海波， 邱志惠， 潘世翼， LI Baotong， HONG Jun， SUN Jing ， XU Haibo， QIU Zhihui， PAN Shiyi

西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安西安交通大学学报

JOURNAL OF XI'AN JIAOTONG UNIVERSITY2009,43(3)1次

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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xajtdxxb200903004.aspx