柴油机冷却水套内不同冷却液流场的CFD分析

摘要

随着我国对低碳环保问题越来越重视，提高发动机的性能及排放标准对内燃机工业的发展以及对国民经济和国防建设都具有十分重要的意义。发动机冷却水套的结构设计，冷却水套内的冷却液流速的快慢、压力的大小、换热的好坏及整个水套内的流场分布影响发动机冷却系统的工作能力，从而影响整个发动机的性能，进而影响整辆车的性能。其中冷却液的应用也至关重要，不同的冷却液由于其物理特性的差别，对发动机的冷却效果也存在差异。加入合适的冷却液保护水箱可以延长发动机的使用寿命，提高发动机的工作性能，减少维修和更换。
　　本文对V型12缸柴油机的单侧冷却水套建立三维模型、划分网格及设定边界条件，以MEG（乙二醇）和MPG（丙二醇）分别作为冷却液的基本溶液配比出四种冷却液，包括最常用的一种传统有水冷却液50﹪H2O+50﹪MEG和三种无水冷却液50﹪H2O+50﹪MEG、50﹪MEG+50﹪MPG、25﹪MEG+75﹪MPG和75﹪MEG+25﹪MPG，冷却液的物性参数由ASPENPLUS模拟软件计算得出。针对90℃温度下四种冷却液的冷却效果和三种无水冷却液在50℃、70℃、90℃、100℃四种由低温到高温温度条件下的流动情况进行数值模拟结果的对比分析发现，与现有的传统冷却液相比无水冷却液在实际应用中不仅能满足发动机的冷却要求，本身具有的物理性质使发动机耐久性、燃油经济性等性能都有所提高，通过以上工作本文得出以下结论：
　　（1）无水冷却液与有水冷却液相比较而言，其在水套中的流速及平均换热系数均小于有水冷却液，但其平均值及在热负荷较高的关键部位的分布都基本满足了国内外水套CFD模拟计算参考文献的推荐值。由于不含水，彻底消除了含水冷却液因有水而造成的“开锅”、气蚀、蒸发、结垢、生锈等问题，避免了严重影响散热的蒸汽气阻层的产生，可以有效提升发动机功率，节省燃油。
　　（2）经过分析发现，在无水冷却液中由于MPG在100-120℃时，其粘度远远低于MEG，增加MPG的比例可以增大冷却液的流速，可以提高冷却水套冷却效果。但考虑到MEG冰点为-13.2℃，而且MEG的导热率高于MPG，为了在不影响冷却液冷却效果的前提下兼顾降低冷却液的冰点，在配制无水冷却液时需根据发动机的实际工作环境来配制。
　　（3）通过对无水冷却液在50℃、70℃、90℃、100℃四种由低温到高温温度条件下的流动情况进行数值模拟分析发现，由于冷却液表面换热系数的变化主要受到冷却液粘度及导热率的影响，而这两个因素都随温度的变化而变化，所以在温度变化时冷却液的平均表面换热系数的变化分两种情况：（a）在温度较低的时候,冷却液的导热率对表面换热系数的影响占主导地位，此时，表面换热系数随温度的增大而减小；（b）温度较高的情况下，冷却液的粘度对表面换热系数的影响占主导地位，此时，表面换热系数随着温度的升高而增大。

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1绪论

1.1冷却水套研究的背景及理论意义

1.2国内外不同冷却介质的冷却水套数值模拟的发展

1.3本文研究的内容

2冷却水套CFD分析的理论基础

2.1流体运动控制方程

2.2湍流模型方程

2.3壁面函数

2.4控制方程离散化

2.5离散化方程的求解

2.6冷却水套的研究方法及软件介绍

3冷却水套三维建模、网格划分及边界条件

3.1柴油机冷却水套模型的建立

3.2计算模型的网格划分

3.3边界条件的设置

4柴油机冷却水套内不同冷却液数值模拟的对比分析

4.1冷却液的物性及种类

4.2模拟仿真的结果分析

4.3本章小结

5无水冷却液在不同温度下的数值模拟分析

5.1不同温度下的速度场分析

5.2不同温度下冷却水套内压力分析

5.3不同温度下表面换热系数的分析

5.4本章小结

6总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢