发动机冷却系统计算与验证

发动机冷却系统计算与验证

作为冷却系统1D分析的重要边界，发动机冷却水套流阻特性一般利用A VL Fire软件计算获得。为了验证冷却系统分析的精确度，以发动机水套流阻特性、零部件性能、发舱风量数据和换热量数据为边界建立冷却系统换热分析模型，并对比热环境风洞试验，校验计算准确度，以指导仿真分析在产品开发中的意义。

标签：CFD;水套;冷却系统;风洞试验

1 前言

冷却系统是发动机的重要组成部分，其性能的好坏直接影响发动机的工作状态，特别目前增压技术的广泛应用对冷却系统设计要求进一步提高，传统冷却系统的经验设计与试验消耗较多资源，需要较长开发周期，而计算机仿真技术的应用为冷却系统设计提供新的开发方式，为确认仿真分析结果在冷却系统开发中的精确度及仿真分析技术在产品开发中的意义，需要进行相应验证。本文首先进行发动机水套CFD分析，以确定水套流阻特性，该数据为冷却系统计算的基础数据，然后基于零部件特性、发舱风量数据和零部件换热数据进行冷却系统热耦合模型的建立，最后将计算结果与试验数据对比，校验计算的准确度，确定仿真分析技术在产品开发中的指导作用。

2 发动机水套CFD分析

发动机水套流阻数据是冷却系统分析的关键数据，其获取方法包括试验方法和CFD分析方法，目前应用较广的方法是基于A VL Fire软件进行水套CFD分析方法。冷却系统仿真分析流程，首先基于水套几何模型进行水套模型前处理及水套三维CFD分析，获得水套流阻特性。然后以冷却系统管路模型搭建冷却系统换热分析模型，并将水套流阻特性、零部件性能数据、风量数据和换热量作为边界进行输入，并进行热耦合分析，得到冷却系统冷却液温度、进气温度和机油温度，并将各温度与CWT试验对比验证分析精度。水套流阻特性根据水套CFD 分析获得，分析模型介质为50%乙二醇混合溶液，采用复合壁函数来处理接触壁面，湍流模型为k-模型。

3 冷却系统换热计算

冷却系统换热分析模型边界包括：发动机水套流阻特性、零部件特性数据、各部件换热量数据和发舱空气侧进风量数据。其中各部件换热量数据根据发动机台架热平衡试验获得，发动机台架标注该冷却系统主要散热部件，该台架设备主要包括电涡流测功机、燃油恒温设备、水恒温设备和油耗仪。根据发动机扭矩曲线特性，定义冷却系统分析工况，计算工况为环境温度40℃，车速180km/h，坡度为0%的高速工况。传感器布置完成后，进行台架热平衡试验，计算工况下的换热量数据如表1所示。

另外以计算工况车速为边界条件进行发舱CFD分析，计算工况下冷凝器、低温散热器和高温散热器进风量数据如表2所示，该数据为冷却系统热耦合计算的边界数据。

4 热环境风洞试验

为验证分析的精确度，进行热环境风洞试验，得到冷却系统各位置的温度数据。试验结果如表3所示，发动机水温为108℃，高温散热器出水温度为96.9℃，高温散热器后空气温度为82℃，发动机机油温度为132.3℃。由试验数据和分析结果对比知，冷却液温度偏差在2℃以内，空气温度偏差也在2℃以内，机油温度偏差为2.5℃，为该工况分析结果与试验数据对比情况，根据对比可知冷却系统换热分析具有较高的准确度。

5 结语

①通过A VL Fire软件进行水套CFD分析，获得发动机水套不同进出口的流阻特性曲线;②利用发动机台架进行台架热平衡试验，对测试数据进行处理获得计算工况下各部件的的换热量数据;③以发动机水套流阻数据、发舱进风量数据、换热量数据为边界进行冷却系统热耦合分析，得到计算工况下的系统各个位置的冷却液温度、空气温度和机油温度;④利用整车转毂试验台进行整车热环境风洞试验，获得计算工况下各个温度试验数据;⑤将分析结果与试验数据进行对比可知冷却系统分析精度较高，可以为产品开发提供有效支撑，提高产品开发效率，缩短产品开发周期。

参考文献：

[1]汤定国等.汽车发动机构造与维修[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]张扬军，张树勇，徐建中.内燃机流动热力学与涡轮增压技术研究[J].内燃机学報，2008，26（增刊）：90-95.

张蕾（1989- ），女，汉族，安徽六安人，本科学士学位，助理讲师，研究方向：汽车发动机构造与维修。