發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套設(shè)計(jì)方案的比較分析

1、 套初始方案進(jìn)行CFD計(jì)算,分析速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、流量分配及換熱結(jié)果,然后根據(jù)該結(jié)構(gòu)水套流場(chǎng)的不足,提出優(yōu)化方案,并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行計(jì)算分析,最終確定較理想的水套結(jié)構(gòu)方案。1發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的CFD模擬1.1計(jì)算原理本文所進(jìn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)水套三維CFD分析過程中認(rèn)為冷卻液在水套內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)是絕熱、不可壓縮的粘性湍流流動(dòng),計(jì)算中需要求解的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程以及湍流模型方程,對(duì)于不可壓縮流體上述方程的一般表達(dá)式如下:連續(xù)性方程:vV=0(1動(dòng)量方程(NS方程: lD譬=諺一V p+產(chǎn)礦(2能量守恒方程:鰳舒=西+kAT+Pq(3式中y速度矢量;F作用在流體上的質(zhì)量力,在重力場(chǎng)中,F=罾;p壓力;

2、1口流體動(dòng)力粘度;c。流體的比熱容;卜流體溫度;西能量耗散函數(shù),西=22;流體的變形率張量;后流體的導(dǎo)熱系數(shù);口熱輻射等其他方式傳入的熱量。 湍流模型選用能夠滿足工程計(jì)算精度要求的k e湍流模型,但由于ke湍流模型只適用于求解完全湍流情況下的流動(dòng),而壁面的存在會(huì)對(duì)湍流造成很大的影響,為了更準(zhǔn)確的模擬壁面對(duì)流體的影響,采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程【7來模擬這一影響:U=-L。其中:u *蘭.絲l n 畢(E y U p :,l /4i/2z:w/P得到Y(jié)*;匹:,出1/41/2式中,fvon K6rm6n常數(shù),取0.42;E經(jīng)驗(yàn)常數(shù),取9.81;跏流體在P點(diǎn)的平均速度流體在P點(diǎn)的湍流動(dòng)量;扎流體中P點(diǎn)到壁面

3、的距離;C。常數(shù),取0.09;%壁面剪切應(yīng)力。1.2三維幾何模型該發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋水套的初步設(shè)計(jì)方案為分體式冷卻結(jié)構(gòu),本文計(jì)算的冷卻水套幾何模型包括缸體水套、缸墊水孔、缸蓋水套,具體形式如圖1所示。水流從總?cè)肟谶M(jìn)入水套,一部分流體通過位于第一缸的上水孔進(jìn)入缸蓋水套,冷卻缸蓋后由出水管1流出,而其余流體則順次流過各缸體水套,并通過位于第四缸上水孔流入缸蓋出水管2,隨后流體在兩出水口處匯合后進(jìn)入節(jié)溫器。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,本文忽略了循環(huán)水泵對(duì)水套內(nèi)冷卻流體流動(dòng)的影響。圖1水套幾何模型1.3劃分網(wǎng)格網(wǎng)格劃分的質(zhì)量是影響數(shù)值計(jì)算的重要因素,由于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為了保證得到較高的網(wǎng)格質(zhì)量,本文采用應(yīng)用廣泛、劃

4、分方便的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。另外,為了保證模擬計(jì)算的精度,對(duì)關(guān)鍵位置處網(wǎng)格細(xì)化,并且在近壁面處增加了邊界層網(wǎng)格?？傮w網(wǎng)格數(shù)約為232萬,節(jié)點(diǎn)數(shù)約66萬,網(wǎng)格模型如圖2所示。(4圖2水套計(jì)算模型廠氣、71.4邊界條件及算法r小本文水套設(shè)計(jì)的水量為160L/min,冷卻液選用45%水和55%乙二醇的混合液。利用商業(yè)軟件Flu.ent進(jìn)行模擬計(jì)算,邊界條件:入口采用流量入口條件,出口采用自由出流條件,壁面條件設(shè)為絕熱,即研究冷態(tài)流體的單純流動(dòng)。按照穩(wěn)態(tài)方法進(jìn)行計(jì)233算,模擬過程采用非耦合隱式算法求解,二階迎風(fēng)格式。在模擬過程中求解如前所述的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程以及標(biāo)準(zhǔn)ke湍流模型方程。1

5、.5結(jié)果分析圖3a為優(yōu)化前缸體水套流場(chǎng)速度矢量圖。根據(jù)國(guó)外CFD計(jì)算經(jīng)驗(yàn),在負(fù)荷較高區(qū)域冷卻水流速高于0.5m/s縣O可滿足冷卻要求。圖中深藍(lán)色區(qū)域?yàn)榱魉俚陀?.5m/s的區(qū)域,從圖中可以看出缸體水套大面積流速過低,尤其在進(jìn)氣側(cè)更加嚴(yán)重,從圖4流量分配示意圖中可以看出進(jìn)氣側(cè)水流量分配很低,這個(gè)結(jié)果與速度場(chǎng)的結(jié)果是一致的。為了改善這種狀況,應(yīng)該在水套人口處增加導(dǎo)流結(jié)構(gòu),使進(jìn)氣側(cè)與排氣側(cè)流量分配比例相當(dāng),從而減少兩側(cè)流場(chǎng)的差異。另外缸體水套水流斷面過大也是造成流速過低的重要原因,因此在之后優(yōu)化水套結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡量減小水套的橫斷面積,使流場(chǎng)在現(xiàn)有流量不變的前提下提高流速。另外缸體在每缸之間的水套冷卻橋中

6、,出現(xiàn)流動(dòng)渦旋,這是因?yàn)樵撎幜鞯赖娜丝谂c出口流通面積小而中間流通面積大,壓力有突然變化,而且底面形狀不規(guī)則造成的,但是由于加工方法的原因,此處結(jié)構(gòu)形狀不能進(jìn)行更改,但是可以對(duì)水套其他部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,使進(jìn)入冷卻連橋的水量有一定的增加,進(jìn)而使此處的冷卻達(dá)到要求。圖3b為缸蓋水套下表面流場(chǎng)速度矢量圖,從圖中可以看出,缸蓋在負(fù)荷較大的鼻梁區(qū)、排氣道附近,流速較高,流場(chǎng)分部較合理。圖3水套流場(chǎng)速度矢量圖(ns-.348%圖4水套流量分配示意圖圖5為整機(jī)水套總壓云圖,整機(jī)水套總壓降約234為53kPa,根據(jù)水套的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知,現(xiàn)有水套方案的整體壓降比較合理。從圖中可以看出缸蓋壓降較大,其壓降水平對(duì)整機(jī)水

7、套壓降影響較大。因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)機(jī)體水套結(jié)構(gòu)的合理調(diào)整,不會(huì)使整機(jī)水套壓降增加很多。圖5整機(jī)水套總壓云圖(Pa圖6缸體水套內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)云圖(W/(m2圖7缸蓋水套下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)云圖(w/(m20C圖6為缸體水套內(nèi)表面換熱系數(shù)云圖。一般認(rèn)為,水套熱負(fù)荷較高區(qū)域的傳熱系數(shù)在5000W/(m20C以上即可滿足冷卻要求。從圖中可以看出排氣側(cè)各缸的傳熱系數(shù)較高,能夠滿足適度冷卻的要求,但是進(jìn)氣側(cè)2、3、4缸明顯傳熱系數(shù)較低,在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)造成冷卻不足,傳熱系數(shù)的結(jié)果與速度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果相一致。圖7為缸蓋下表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)云圖,為了使云圖表達(dá)得更加清楚,顯示范圍的上限控制在了12000W/(m2,從圖

8、中可以看出, 缸蓋整體傳熱系數(shù)較高,能夠滿足缸蓋冷卻的要求。2機(jī)體水套優(yōu)化設(shè)計(jì)處流速得到適當(dāng)?shù)慕档?避免了b處的過度冷卻。2.1優(yōu)化方案由以上結(jié)果分析可知,應(yīng)采取措施加強(qiáng)缸體水套內(nèi)低流速區(qū)冷卻液的流動(dòng)。考慮到進(jìn)排氣道兩側(cè)冷卻液流量分配不均造成的速度場(chǎng)分配不均的問題,得到如表l所示的方案1的優(yōu)化結(jié)構(gòu),水套下端的導(dǎo)流凸臺(tái),起到了控制進(jìn)排氣道兩側(cè)冷卻液分配比例的作用,抬高此凸臺(tái)并且在之后加一根導(dǎo)流筋,可以使從水泵流出的冷卻液一部分被阻擋,改變流動(dòng)方向,轉(zhuǎn)向進(jìn)氣道一側(cè),此為方案l?？紤]到原模型缸體水套較長(zhǎng),增加了鑄造和加工的難度,而且缸體下端對(duì)冷卻的要求也不很高,由此提出短缸體水套方案,同時(shí)為了使兩缸

9、之間的冷卻連橋起到冷卻圖8優(yōu)化方案缸體水套內(nèi)表面流速矢量圖(m/s作用,必須保證有一定的冷卻液從連橋處流過,因此圖9為各優(yōu)化方案缸體水套內(nèi)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)云在進(jìn)氣側(cè)加了三根導(dǎo)流筋,通過筋的擠流和導(dǎo)流作圖,其優(yōu)化效果與流場(chǎng)變化是一致的,短水套的方案用提高連橋處高負(fù)荷區(qū)的水套內(nèi)冷卻液流速,此方總體上優(yōu)于長(zhǎng)水套方案,而且方案3在圖中a處的案定為優(yōu)化方案2。在方案2的基礎(chǔ)上只保留后兩冷卻效果要優(yōu)于方案2。個(gè)連橋的導(dǎo)流筋,并加大筋的高度,使導(dǎo)流的作用進(jìn)一步加強(qiáng),此方案定為優(yōu)化方案3。具體的優(yōu)化方案形式見表1。表1缸體水套優(yōu)化方案耋喜幾何模型說明2.2優(yōu)化方案CFD結(jié)果比較本機(jī)冷卻水套為分體式冷卻形式,此種結(jié)

10、構(gòu)的缸體、缸蓋水套的相互影響較其他形式的水套要小,并且通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)結(jié)果也是如此的,因此由于篇幅限制,本文不再列出三種優(yōu)化方案中缸蓋水套的CFD結(jié)果,而只對(duì)缸體水套的結(jié)果進(jìn)行分析。圖8為各優(yōu)化方案缸體水套內(nèi)表面流速矢量圖,從圖中能夠明顯看出方案2、3的流場(chǎng)優(yōu)于方案1。比較方案2和方案3可知,方案3由于提高了導(dǎo)流筋的高度,使流場(chǎng)在圖中a處流速得到提高,而在圖中b圖9優(yōu)化方案缸體水套內(nèi)表面?zhèn)鳠釤嵯禂?shù)云圖(W/(矗圖10為各優(yōu)化方案整機(jī)水套總壓云圖,從圖中可以看出3種優(yōu)化方案總壓變化不大,但由于增加了導(dǎo)流結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)及尺寸,使局部阻力增大,另外整體流場(chǎng)流速增加,致使總的壓力降成遞增趨勢(shì),但仍然在較合理的范

11、圍內(nèi),具體的數(shù)值可見表2。表2中的數(shù)據(jù)為優(yōu)化方案中一些特定位置處CFD計(jì)算結(jié)果的面平均值,可以看出,方案3在缸體表面處傳熱系數(shù)較大,冷卻效果較好,冷卻連橋的平均傳熱系數(shù)稍低于方案2,但其進(jìn)、排氣道兩側(cè)及冷卻連橋處的流量分配較合理,雖然總壓降稍有增大,但考慮到水套的冷卻性能,方案3的結(jié)構(gòu)還是較優(yōu)的。(下轉(zhuǎn)第282頁(yè) 235。(2定期清掃煙道內(nèi)表面,減小煙氣的阻力損3結(jié)束語(yǔ)失。一一(3爐墻和爐門,看火孑L,出灰門,省煤器的管端之間在使用一段時(shí)間后,都容易產(chǎn)生縫隙而漏人空氣,使過?？諝饬吭龃?形成過量的煙氣從煙中逸出,帶走大量的熱量,增加熱損失,降低熱效率。因此,要經(jīng)常檢查上述各處的漏風(fēng)情況,如果發(fā)

12、現(xiàn)裂縫應(yīng)及時(shí)嵌縫修補(bǔ)。(4敷在鍋爐本體和汽水管路上的保溫層經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行以后可能脫落,使散熱量增加,既損失熱量又增加鍋爐房的溫度,有時(shí)候可能會(huì)燙傷人。若發(fā)現(xiàn)保溫層脫落,必須及時(shí)修補(bǔ)。鍋爐節(jié)能,任重道遠(yuǎn),只要基層管理人員時(shí)刻用節(jié)能、環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)的思想去指導(dǎo)工作,司爐工能夠做到不斷熟悉鍋爐性能和特點(diǎn),摸索運(yùn)行規(guī)律,掌握操作要領(lǐng);不斷改進(jìn)操作方法,提高和靈活運(yùn)用操作技能,就一定達(dá)到提高鍋爐的熱效率,達(dá)到鍋爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與節(jié)能的目的。參考文獻(xiàn)1趙欽新,等.工業(yè)鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行M.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003,324336.2辛廣路,等.鍋爐運(yùn)行與操作指南M.北京:機(jī)械工_k出版社,2006,24

13、8249.(上接第235頁(yè)圖10優(yōu)化方案整機(jī)水套總壓云圖(Pa表2優(yōu)化方案結(jié)果比較注:表中負(fù)號(hào)“一”代表平均Vy方向與Y軸相反。3結(jié)論CFD計(jì)算目前已經(jīng)成為發(fā)動(dòng)機(jī)水套設(shè)計(jì)及優(yōu)化的主要工具,其結(jié)果的可信性已經(jīng)得到了驗(yàn)證。本282文利用Fluent軟件對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)水套的初步方案進(jìn)行了計(jì)算,對(duì)計(jì)算結(jié)果分析后,提出了三種優(yōu)化方案,隨后對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行計(jì)算、比較,綜合各方面因素后,認(rèn)為方案3的流場(chǎng)分布較均勻,冷卻性能較好。從優(yōu)化結(jié)果可以看出,導(dǎo)流凸臺(tái)和導(dǎo)流筋在水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中起著重要的作用。本文水套流場(chǎng)的計(jì)算所得的速度場(chǎng)、傳熱系數(shù)、壓力場(chǎng)等信息,不僅可以方便地對(duì)各種優(yōu)化方案進(jìn)行比較,從而快速地確定水套的優(yōu)化結(jié)構(gòu),而且還可以將結(jié)果輸出到有限元計(jì)算軟件中,用于計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)流一固耦合計(jì)算,從而使發(fā)動(dòng)機(jī)熱分析的結(jié)果更加真實(shí)、可信。本文主要介紹該發(fā)動(dòng)機(jī)水套的流場(chǎng)、壓力場(chǎng)和傳熱系數(shù)的計(jì)算分析,限于篇幅,機(jī)體、缸蓋的溫度場(chǎng)分析和熱應(yīng)力分析另文介紹。參考文獻(xiàn)1NgySmmAp,Michelle