基于CFD的汽油机冷却水套冷却性能数值模拟及优化

摘要

随着环保法规的日益严格以及不可再生资源的日益枯竭，对汽油机的综合性能提出了更高的要求。影响发动机性能的因素很多,发动机冷却性能的好坏，是衡量车辆性能的重要一环。冷却性能差，车辆将在高温条件下运行，最主要的问题是发动机过热和润滑性能下降，最终导致发动机的经济性能、动力性能、可靠性和耐久性全面恶化。所以应重视发动机的冷却性能的相关研究。而冷却系统中的一个主要设计难点是冷却水套的计算设计，而要进行较精确的计算设计必须进行三维复杂流动的模拟，三维CFD数值模拟是实现这一过程最有效的工具。
　　本文描述了应用CFD软件时的基本流程，介绍了CFD（计算流体力学）基本原理即应用计算时的理论基础：所应用的守恒方程及其离散方法；总结了建立计算网格模型的过程及计算条件的参数设置；通过应用计算流体力学的软件AVL-FIRE，以发动机水套冷却性能的三维流场仿真模拟作为基本的研究内容，进行了数值模拟分析，从三维的角度揭示预案机型发动机水套内部冷却液的流动分布状况；根据对三维流体数值模拟后处理结果进行的分析，提出原水套模型存在的速度流场中冷却液流速、流量均不足的问题，以及换热系数场中重点冷却部位“鼻梁区”冷却不足等问题，为改善新机型机体缸盖的冷却水流场优化设计提供了参考和依据。
　　针对实际工程中开发工作的要求，以及开发机的原冷却水套冷却不足的问题本文构建了两套不同的气缸垫结构的优化模型，并针对网格模型进行了大量的模拟计算。通过模拟结果对比归纳，给出较理想的优化结果。即冷却液在缸体缸盖水套中的流速提高，重点冷却部位流量分布合理，无流动死区；关键部位的温度（例如柴油机进排气门座和喷油器之间的“鼻梁区”）得到了控制，换热系数明显增大，并获得了较均匀的压力分布，降低功率损失及散热量，从而提高零部件的可靠性与发动机的性能。

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1 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 汽油机水套中流体数值模拟的国外研究现状

1.3 汽油机水套中流体数值模拟的国内研究现状

1.4 本课题的研究目的和主要内容

2 CFD数值模拟计算方法

2.1 流体数值模拟计算概述

2.2 流体控制方程[20]

2.3 湍流

2.4 控制方程的离散化

2.5 SIMPLE算法

2.6 CFD模拟仿真软件

2.7 本章小结

3 汽油机冷却水套计算模型的建立

3.1 发动机基本参数

3.2 建立几何模型及生成计算模型

3.3 初始条件和边界条件的设定

3.4 本章小结

4 发动机冷却水套内冷却性能数值模拟结果分析

4.1 前言

4.2原发动机冷却水套冷却性能三维数值模拟结果分析

4.3 本章小结

5 优化水套结构的三维数值模拟对比分析

5.1 前言

5.2 两种优化模型描述

5.3 两种方案冷却性数值模拟结果对比分析

5.4 本章小结

6 全文总结及工作展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献

附 录