发动机机体缸盖冷却水cfd模拟计算与分析.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 发动机机体缸盖冷却水CFD模拟计算与分析 姓名：杜佳正 申请学位级别：硕士 专业：动力机械及工程 指导教师：黄荣华 20070124 摘摘 要要 以某高强化大功率柴油发动机为研究对象，对其机体缸盖冷却水通道进行了冷 却水流动的试验研究和数值模拟分析 论述了高强化大功率车用发动机冷却水流动研究的目的和意义，综述了国内外 车用发动机冷却水流动试验测量和模拟计算的现状和发展趋势较为详细地介绍了 CFD 的基本数学原理，流动分析计算的流程，并分别介绍了各个流程的特点对某 发动机机体缸盖冷却水道进行了流动计算，考察了模拟计算的可信性，选用不同的 湍流模型进行模拟，验证了 k-ε 模型的经济实用性根据模拟计算结果分析了机体缸 盖的流场特性，对各缸流量的均匀性及鼻梁区的流速等进行了讨论，针对两进气门 中间三角区流速偏低，对上水孔进行了扩孔的修改，计算表明修改后机体缸盖冷却 水的流场总体上没有改变，但缸盖鼻梁区的流速较改进前有所提高 本文还考虑了网格品质、 网格数量和壁面粗糙度等因素对 CFD 模拟计算的影响， 根据正交试验设计的要求，选择了正交表并组织了模拟计算试验，做了极差分析和 方差分析，发现网格品质对 CFD 模拟计算的影响较大，并且网格品质和网格数量之 间存在交互作用。

研究表明， 运用 CFD 对发动机冷却水套的流动进行计算分析， 其结果是可信的 当采取网格数量为 200 万左右，网格品质不小于 0.2，以及 k-ε 模型进行六缸机的机 体缸盖内冷却水流动的计算，能够满足工程上的精度要求，是精度和进度较好的折 衷选取 关键词：关键词：车用发动机 冷却水流动 CFD 网格 正交设计 I Abstract In this paper, an experimental research and the numerical simulation of the coolant flow in the cylinder head and cylinder block are performed on the cooling-water system of one vehicle engine with highly-intensified heavy-duty． From the documents about the measuring and display methods of the flow field, the calculating of the numerical simulation, the writer summarize the status quo and development trend of the cooling water flow research both in the test area and numerical simulation in domestic and overseas. Then introduce the CFD’s basic theory in detail, the process, and each step's characteristic in the process. The flow field in a engine body and engine head is simulated, survey the credibility of the simulation, adopt different turbulence model to proceed simulation, demonstrate the economical and practical of the k-ε model. According to the simulation calculation, analyze the flow field's characteristic, the uniformity of each cylinder discharge and the velocity in bridge of the nose. As the velocity in the triangular space between two inlet ports is little low, enlarging the upstream hole, the calculating results show that the flow field has little change, but the velocity in the bridge of the nose is enhanced. In this paper, the author also consider the mesh quality, mesh quantity and wall roughness’ impacts for the CFD numerical simulation. From this purpose, author use the orthogonal experimental design to determine the impacts. Choosing the orthogonal table, computing according to the rule of orthogonal experimental design, doing range analysis and variance analysis. Find the mesh quality has significant impact for the CFD simulation. There is interaction between mesh quality and mesh quantity. The research shows it is creditable to analyze the flow in engine water jacket by CFD. it was precision and tempi best compromise selection while adopting mesh quantity for 2 million around, mesh quality not less than 0.2, as well as k- ε mode to proceed six-cylinder the cooling water flow in six-cylinder engine block and engine head . It can satisfy the accuracy requirement in engineering. Keywords: vehicle engine cooling water flow CFD mesh orthogonal design II 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名：杜佳正 日期： 2007 年 1 月 25 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□ ，在_____年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密√ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名：杜佳正 指导教师签名：黄荣华 日期：2007 年 1 月 25 日 日期： 2007 年 1月 27 日 1 绪绪 论论 1.1 课题来源、目的、意义课题来源、目的、意义 1.1.1 课题来源课题来源 本课题系中国兵器工业集团第七 0 研究所承担的国防科研项目， 本课题组受七 0 所委托，负责完成柴油机机体、缸盖冷却水流场计算规范研究。

1.1.2 课题目的、意义课题目的、意义 通过制定该计算规范可对柴油机机体缸盖的冷却水流场设计提供参考和依据， 实现计算流程规范化，以达到缩短数值计算周期和降低研发成本的目的 以某 6 缸柴油机机体和气缸盖水道冷却流场为研究对象，通过对研究对象冷却 流场的 CFD 仿真计算和分析研究，结合以前所做过的流动分析计算工作和经验，总 结出发动机机内冷却水 CFD 仿真计算分析规范 随着军用车辆发动机升功率的大幅度提高，以主战坦克发动机为代表的高强化 大功率发动机的冷却问题变得越来越突出，成为制约坦克发动机进一步发展的关键 问题之一[1]车辆发动机的冷却是个很重要的课题，同时也是衡量车辆性能的重要一 环，因为它直接影响战车的性能要想解决坦克冷却系存在的问题，其难度是较大 的这是因为发动机功率在不断地提高，而车内空间尺寸又不允许增大世界各国 的坦克设计师对此问题都很重视，都在不断想方设法探索改进车辆的冷却系统 要解决好车辆发动机的冷却，需要发动机本体、冷却系的大部件和整车总体布 置三者紧密配合，这样才能设计出一个好的冷却系统[2] 对高强化大功率军用发动机来讲，冷却是至关重要的发动机冷却系统的一个 主要设计难点是冷却水道的计算设计。

发动机冷却水道的几何形状异常复杂，流动 状况、模型建立及计算研究的难度均很大，而要进行较精确的计算必须进行三维复 杂流动的计算长期以来，对发动机冷却水道的设计一直采用经验设计的方法由 于经验缺乏，发动机冷却水道的设计带有很大的盲目性为了防止局部过热，往往 采用大幅度降低冷却液温度和提高冷却液流量与流速的方法，这不仅使功率及整体 1 散热量增加， 而且会造成零件内部温度梯度增加， 零件可靠性反而下降[3] 另一方面， 由于军用车辆使用环境恶劣， 工作环境气温变化可达-50℃~+50℃， 在极端的情况下， 甚至可达+65℃；空气到达散热器之前，温升可能有 8~17℃或更高，包括可能有发动 机排气泄漏、内外热空气循环等，冷却系统的工作环境将更加恶化军用车辆可能 在低速、重负荷下长时间工作，如爬坡、沙雪地等，这时发动机的发热量将大大增 加；而当在尘土、沙漠、燃烧废墟中行使或潜渡时，散热器还可能堵塞；由于军用 车辆的防护要求，又限制风道的畅通，使得发动机实际处于半封闭状态工作这些 因素导致了军用车辆发动机不同程度的过热现象，从而严重削弱了军用车辆的整体 性能在军用车辆发动机冷却系统的设计方面，由于军用车辆工作环境的多变性和 恶劣性，工质在复杂的流动空间内的流动复杂性给设计本身带来了很大的困难。

因 此，从发动机的冷却系统本身出发，既要保证经常出现故障的危险部位具有足够的 冷却，又要降低整机的散热量，减少对车辆发动机冷却系统的散热要求[4]因此，很 有必要针对军用车辆发动机的冷却水道进行深入的计算和试验研究，并掌握设计方 法和相关故障的解决措施，改进发动机冷却系统所存在的不足之处，以提高发动机 的整体性能 发动机机体、缸盖是发动机的几大部件，其形状非常复杂，里面的冷却水通道 形状更加复杂发动机缸盖作为燃烧室的一部分承受着很高的热负荷与机械负荷， 其中的冷却水腔与进排气道内分别有液体与气体的流动与传热实验证实，燃气传 给冷却液的热量约占燃料总热量的 20%~30%，而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%~65%增加传热强度会降低燃烧室内燃气的温度和压力， 减少传给活塞。