发动机冷却水套的计算流体力学分析及 结构改进

为评估某发动机冷却水套结构设计的合理性,基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)分析方法,采用STAR-CCM+软件对一款双缸发动机冷却水套进行流场数值模拟分析.通过对该冷却水套的速度场及缸孔流量分配进行分析,发现该双缸发动机冷却水套的结构设计存在不足,会造成左缸冷却效果好而右缸冷却效果差的两缸冷却不均匀现象,右缸大部分区域的换热系数低于5 000 W/(m2·K),因此,需要提升冷却水套的冷却性能.基于流动路径及流量分配合理性的综合评估方法提出了冷却水套缸孔布局的改进方案,并对冷却水套改进结构进行了CFD模拟.结果表明:改进后,排气侧、鼻梁区等高温区域的冷却效果得到保证的同时,左缸和右缸的冷却均匀性得到明显的改善,冷却水套壁面平均换热系数的提升非常明显,基于流动路径及流量分配合理性来设计缸孔布局的方法是有效可行的.研究结果可为冷却水套的改进设计提供方法指导和仿真数据支撑     

四缸发动机冷却系统冷却性能分析及实验验证

为了给发动机冷却系统冷却性能分析提供方法参考,以某四缸发动机冷却系统为研究对象,基于计算流体力学仿真手段对其冷却系统冷却性能进行模拟分析。结果表明该四缸发动机冷却系统在发动机转速10000 r/min时的工作流量为90 L/min,该流量工况下缸体水套排气侧区、缸头鼻梁区冷却液流速满足高温区域流速不低于1.5 m/s的设计要求。4缸鼻梁区截面流量最小,3缸鼻梁区截面流量最大。经发动机台架热平衡实验验证,4缸的缸头火花塞垫片温度最高,3缸的缸头火花塞垫片温度最低。实测温度结果分布趋势与各缸鼻梁区截面处流量分布、发动机缸头温度场分布趋势基本一致,表明构建的冷却系统数值仿真模型是可靠的。缸头火花塞垫片在极限工况下的最高温度213℃在可接受范围内（小于250℃）,表明该四缸发动机冷却系统的冷却性能较好,可满足该四缸发动机的冷却。     

车用甲醇发动机冷却系统的优化设计研究

六缸商用柴油发动机改成M100甲醇发动机,在保证发动机性能一致的前提下,在台架可靠性试验中因冷却系统散热问题出现了活塞环卡滞,活塞销发蓝,缸盖鼻梁区裂纹等故障。通过采用数值模拟方法对冷却系统进行分析,优化设计水套结构,提高缸体缸盖的冷却能力,通过更改气缸垫片水孔优化缸盖各缸水流量分配,增大水泵流量等一系列措施,改善冷却系统。分析结果表明,优化后的水套流速和缸盖散热能力大大改善。最后,通过发动机台架1000h耐久试验验证,解决了甲醇发动机的散热问题。     

车用甲醇发动机冷却系统的优化设计

六缸商用柴油发动机改成M100甲醇发动机,在保证发动机性能一致的前提下,在台架可靠性试验中,因冷却系统散热问题出现了活塞环卡滞、活塞销发蓝、缸盖鼻梁区裂纹等故障,通过采用数值模拟方法对冷却系统进行分析,优化设计水套结构,提高缸体缸盖的冷却能力。通过更改气缸垫片水孔优化缸盖各缸水流量分配,增大水泵流量等一系列措施,改善冷却系统。分析结果表明,优化后的水套流速和缸盖散热能力大大改善。最后,通过发动机台架1 000 h耐久试验验证,解决了甲醇发动机的散热问题。     

柴油机冷却水套优化设计

为快速设计柴油机冷却水套,采用建模仿真的方法,建立某柴油机样机的冷却水套模型,采用非结构化方法进行网格划分,进行CFD模拟计算,通过计算结果的分析对整个冷却系统的冷却效果进行评价,发现原机冷却水套存在的问题,针对出现的问题提出改进方案,并对改进后的模型进行计算分析,结果表明,改进后结构缸体各缸冷却更为均匀,缸盖鼻梁区冷却液速度得到极大提高,缸体水套涡流减少,杜绝因局部过热蒸汽形成气囊的可能,缸体水套上部流场速度大幅度增加,并形成了有规律的横流,满足了设计要求.     

发动机冷却液流动与传热的数值模拟

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AVL-FIRE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1:1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.     

风冷发动机冷却流道设计及散热性能提升

为解决常规风冷发动机火花塞侧风速较低的问题,在某三轮车风冷发动机缸头内部设计了冷却风道,采用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)方法对该风冷发动机冷却风道结构进行了数值模拟分析,结果表明原冷却风道下缸头冷却风道内冷却风速较低,火花塞附近和进气道周围的冷却风速也较小,不利于缸头的整体冷却。通过调整缸头冷却风道内导流片布置和增大排气侧进风面积,缸头火花塞侧及排气侧冷却风量明显提升,利于缸头高温区域的冷却。经实验验证,缸头改进方案下缸头火花塞垫片温度可降低23℃。研究结果可为缸头冷却风道的设计提供仿真数据支撑及理论指导。     

柴油机缸盖水腔内沸腾换热仿真分析

为了更好地了解柴油机水腔内冷却液的流动和传热问题,根据Eulerian两相RPI(rensselaer polytechnic institute)沸腾模型,建立了一套适用于柴油机水腔沸腾换热的气液两相流模型.以某直列四缸柴油机为研究对象,通过缸盖温度场实验对缸盖火力面20个测点进行温度测量,并将实验测得的温度值与传统单相强制对流和两相流模拟得到的温度值进行对比.结果表明:与传统单相流模型相比,Eulerian两相RPI沸腾模型的精度更高,误差小于5%;优化后缸盖水腔底部冷却液的流动与冷却更加均匀,水腔壁面最高温度降低了4.05℃,第三、四缸水腔鼻梁处高温区域面积减小,缸盖水腔换热效果得到改善.研究结果为柴油机缸盖水腔沸腾换热研究和冷却水腔的设计提供了依据.     

大功率半导体发光二极管液冷板散热性能分析

液冷板体积小,散热效果明显,被广泛应用于密集电子器件的散热。为研究液冷板内部的流动与传热过程,实现高效散热,利用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)方法对液冷板进行热固耦合三维数值模拟,对比分析了水、乙二醇、酒精及甘油4种常见的不同类型冷却液在冷板内的流动规律与换热特性,研究了冷却液入口流速对综合散热性能的影响,并通过理论计算的方法加以验证。结果表明：设计的液冷板具有较好的流动和换热性能,4种冷却介质的综合散热效果均随入口流速增加而得到不同程度改善,最佳入口工况流速为2.5 m/s。以发光二极管芯片结温为散热性能指标,发现水的散热效果最佳,基板表面温度分布较为均匀。     

四缸发动机冷却系统设计及发动机温度场分析

为评估某四缸发动机冷却系统设计的合理性,采用计算流体力学分析方法对该发动机冷却系统的布局设计、系统流量确定、冷却系统流场和发动机温度场开展了研究。针对缸体水套冷却液流速差异较大的问题,提出了在缸体水套添加节流缺口的优化方案。结果表明：各缸缸体水套冷却液流速均匀性明显改善,各缸套壁面温度可降低1～3℃。发动机转速12 000 r/min时,热平衡测试结果显示缸温最大差异约为4℃。机油温度约为129℃,温度可控(小于140℃),表明该四缸发动机冷却系统设计合理,可保证四缸发动机各缸冷却均匀及机油的冷却。     

多缸柴油机冷却水腔流动不均匀性的仿真研究

以多缸柴油机的冷却水腔为研究对象,使用Fluent软件对直列3、4、5、6缸柴油机冷却系统的流场进行仿真.结果表明:对于冷却水套进出水口在曲轴同一端的直列柴油机,从距离入口最近的缸到远离入口的最后一缸,各缸水套间通道压力逐渐降低,各缸缸盖进口和出口压力逐渐增加,各缸缸盖的流量逐渐降低.在相同入口流量条件下,随着发动机气缸数增加,总进口和总出口的压差逐渐降低,整个冷却水套的流动阻力减小,各缸缸盖进出口压差的平均值逐渐减小,发动机各缸盖中最大流量和最小流量之间的差值增加,发动机各缸缸盖流量的不均匀度大幅度增加.      

发动机气缸盖冷却水流动试验及CFD分析

针对高强化发动机气缸盖的冷却问题,采用流量压力测量法和染色剂法对透明气缸盖水腔进行了水流分布试验,得到冷却水在缸盖复杂水腔内的流场分布和水腔的流动阻力与进出水孔的流量,并对缸盖水腔不合理的地方加以改进;然后用FIRE软件对改进前后的缸套水腔冷却水流动进行数值模拟,得到冷却水在缸盖水腔内的三维流场．将试验结果与CFD分析结果加以对比,表明水腔改进后流量和压力分布合理,微涡和流动死区减少,同时数值模拟计算所得的冷却水流动方向和流量大小与试验测量和观察结果相一致。     

新型2D25卧式柴油机冷却水套CFD分析

针对新型2D25卧式柴油机冷却水套结构,采用NX5.0软件建立了冷却水套三维分析模型,并应用CFD软件AVL-FIRE,对冷却水套进行三维流动仿真计算,详细分析了冷却水套速度场、换热系数分布、流量分布、压力损失等流场特征。结果表明,该两缸柴油机冷却水套整体水流平均速度约为0·8m/s,基本能够满足设计要求;缸体、缸盖处水流平均速度分别为0.898m/s、0.67m/s,但从换热系数、缸盖上水孔流量及截面速度看,该冷却水套各缸冷却不均、局部存在流动死区,有待进一步改进。     

铸铁水平连铸用圆结晶器冷却水道设计的研究

利用计算机数值模拟方法系统地研究了铸铁水平连铸用矩形截面螺旋水道圆结晶器水冷套中水道结构尺寸和水流量对结晶器换热能力的影响结果表明：在等水压条件下，一定长度及直径的结晶器，其水道截面一定时，水道宽度是结晶器换热能力的控制因素；在其它条件相同时，水道截面积增加能有效地提高换热能力；水流量在很大范围内对结晶器换热能力有调节作用。针对铸铁凝固特点，提出铸铁水平连铸用圆结晶器冷却水道的设计原则。     

初始条件及喷雾对柴油机缸内流动影响研究

将柴油机缸内气体与整个燃烧室部件(气缸盖-气缸套-活塞组)作为一个耦合体,在对耦合体进行传热数值模拟的基础上得到缸内流动计算的壁面边界条件.利用大型通用CFD软件STAR-CD及ES-ICE对6110柴油机缸内三维非稳态流动进行数值模拟研究,着重分析不同初始条件及燃油喷射对缸内流动的影响.研究结果表明初始条件在柴油机进气过程缸内流场多维计算中主要影响流场的流动状态,特别是涡团形状和中心位置;喷雾过程中燃油的喷射流动直接影响到缸内的流场分布.     

某缸盖热机疲劳分析

利用AVL-Fire对缸内工作过程和水套进行CFD分析,得到缸内及水套壁面的热边界条件,通过有限元技术把对流热边界耦合至固体传热的计算中,达到共轭传热的目的.分别完成了机械载荷和温度载荷下的缸盖应力计算,结合经过温度修正的材料特性,计算得到疲劳安全因子分布.分析结果表明:对于缸盖疲劳而言,热载荷贡献明显大于机械载荷;缸盖设计满足使用要求.     

CFD模拟在发动机水套设计中的应用

水套是发动机冷却系统的重要组成部分,它直接影响着发动机的综合性能,特别是发动机的可靠性和寿命.文章利用star-CD软件对某汽油发动机的冷却水套进行了模拟计算,并根据计算结果对缸垫水孔进行优化以调整水套内的水流分布,达到更好的散热效果.     

铸铁水平连铸用圆结晶器水冷套换热计算方法的研究

建立了铸铁铸用圆结晶器水冷套的换热模型,给出了换热边界条件的确定方法。采用该计算方法可以计算不同水道结构参数和不同水流参数下水冷套的换热效果,其计算结果与实测结果基本符合。该计算方法可为设计结晶器水冷套时使用,并与可已有铸铁水平连铸铸坯凝固过程数值模拟计算程序结合,使之更加完善。     

基于热固耦合的柴油机气缸盖有限元分析

针对柴油发动机缸盖失效问题,在ABAQUS软件中以某现产柴油发动机构建仿真模型,通过实验数据标定模型温度边界,运用热固耦合理论对缸盖的温度分布、应力及变形分布进行仿真分析.对于分析中发现的热应力集中的缸盖鼻梁区,提出了缸心外凸、平齐和内凹的3种对比优化设计方案,并进行仿真验证.仿真结果表明,采用缸心内凹设计,降低缸心区域壁厚,可以有效降低鼻梁区最大应力.与试验对比,仿真模型的温度分布符合实际缸盖温度分布,验证了此方法的准确性,为解决柴油发动机缸盖失效问题提供了有效的优化设计方法.