基于STAR-CCM+的发动机冷却系统仿真分析
王营超李凡刘亚锁周新龙

新疆工程学院能源工程学院，新疆乌鲁木齐 830091

摘要：为了分析发动机的冷却系统的运行性能，以某船用发动机为研究对象，根据其发动机的具体参数，建立了冷却系统的CFD模型，利用STAR-CCM+软件得到了冷却系统的相关参数温度曲线变化情况，从而改变了发动机的温度场分布、降低了温度梯度、满足了不同部位的要求、提高了发动机的可靠性，同时为发动机冷却系统的改进与设计等提供参考。

关键词：CFD仿真分析；冷却系统；STAR-CCM+；发动机

中图分类号：U464.138

0 引言

随着经济的飞速发展，发动机技术不断地更新迭代，燃油车带来的排放污染问题已经迫在眉睫，因此，人们开始重视发动机的燃油经济性^[^1]。发动机冷却系统由冷却风扇、水泵、节温器、散热器和冷却水套等部件组成，每个部件的结构尺寸、布置位置、组织形式、材料性质、工作方式的不同都会对冷却系统的性能产生影响^[²^]。目前，国内外众多高校和科研院所对发动机冷却系统的热管理技术进行了研究，主要集中在主要集中在散热器对冷却系统性能的影响以及节温器、风扇、水泵等配件对冷却系统性能的影响^[3]。在发动机冷却系统中使用电控节温器和水泵替换掉传统节温器和机械泵^[^4-6]，把冷却液和空气流速作为变量，用变速冷却风扇来对此变量进行调控，最终提高了发动机冷却效率^[^7]。袁新等[8]利用CFD技术对风扇、散热器进行了仿真分析，同时结合风洞试验对风扇和散热器在最佳工况点进行研究，并得出最佳工况点下的冷却能力能够满足发动机的要求。

本文以实际使用中的某船用发动机冷却系统为研究对象，其初始条件为:冷却系统进水口进水绝对压力3bar，缸盖上装有节温器的出水孔出水绝对压力为1.31bar，其他出水口压力均为大气压1bar。基于此，利用STAR-CCM+分析软件对冷却系统进行仿真分析。

1 冷却系统建模及CFD网格划分

1.1 冷却系统模型的建立

该发动机模型由缸体、缸盖、缸垫水孔之间的冷却水空腔、机油箱冷却水腔、进排水管及排气管冷却

水腔组成，通过Pro/E抽取各部分内腔，形成封闭的冷却系统空间，如图1所示。

图1 发动机冷却系统CAD三维模型

1.2 冷却系统CFD网格划分

首先在Hypermesh中划分面网格，以取得高质量的面网格，并且有利于在下一步划分体网格时更容易定义各种集合，面网格如图2所示。之后，把面网格导入STAR-CCM+中划分体网格，如图3所示，网格数为1831057。对重点区域及流道较窄处进行了加密。

图2 冷却系统面网格

图3 冷却系统CFD网格

2 边界及初始条件

边界条件如图4所示。初始条件：冷却系统进水口进水绝对压力3bar。缸盖上装有节温器的出水孔出水绝对压力为1.31bar，其他出水口压力均为大气压1bar。

图4 冷却系统边界条件

3 计算结果与分析

3.1 收敛情况

图5所示为连续方程、湍动能、湍流耗散率等收敛情况。在770步之前采用的进水压力为2bar，770步之后进水压力设定的为3bar，故曲线产生较大的波动。总体上从图中看到，收敛效果较好，可以满足工程计算要求。

图5 收敛曲线

3.2 总体情况

冷却水流中的速度场、温度场、压力场等参数是互相联系、相互影响的。针对船机的冷却特点，需要对不同部位控制在不同温度

图6所示为冷却系统在节温器开、关状态下的压力分布图，图7为缸体缸盖冷却水套压力分布云图。从图上可以看出除了缸体入水处，缸体本体压力分布较均匀；缸体侧边上水通道压力梯度较大，说明上水孔附近流动湍急；缸盖鼻梁区压力明显大于顶部区域，顶部从前至后压力逐次降低，指示了排水方向。

图6 冷却系统压力分布云图（A为节温器开时B为关)

图7 缸体缸盖冷却水套压力分布云图（A为节温器开时，B为关）

图8冷却系统速度分布云图，图9所示为缸体冷却系统速度分布云图，从图中看到，缸体冷却系统缸体内速度较低，并且因缸体从排气侧进水，导致进气侧冷却水速度低于排气侧。从各缸来看，当节温器打开时，缸盖中一部分冷却水从顶面流出，第四缸周围的流速高于其他缸；节温器关闭时各缸冷却水流速相对均匀。图10所示为缸盖冷却系统速度分布图，从图中看到，上水通道和鼻梁区速度较高，有利于鼻梁区的冷却。总体来看，缸盖冷却系统后端速度高于前端；从各缸来看，第一、二缸流速相对较低，三、四缸较高。由图10可以看出节温器的关与闭对缸盖中冷却水流速影响较大,节温器打开时缸盖中冷却水流速远大于节温器关闭时，有利于保持冷机时缸盖中冷却水不至于过冷、热机时不至于过热。

图8 冷却系统速度分布云图(A为节温器开时，B为关时)

图9 缸体冷却水套速度分布云图(A为节温器开时，B为关时)

图10 缸盖冷却系统速度分布云图（A、B为节温器开时，C、D为关时）

3.3 流场分析

由于发动机的冷却系统中最重要部分是缸体、缸盖的冷却状况，故下面仅分析缸体缸盖内的冷却水流动情况。图11为整体冷却系统速度矢量图，图12为缸体冷却系统速度矢量图和局部放大图，从图可以看到在缸体通往缸盖上水通道入口交叉处和缸体入水口交叉处地方出现较严重的涡流，主要由于这些局部截面有突变，导致水流“回旋”，但漩涡几乎不占据主流通道，对主流影响较小；图13为缸盖冷却系统速度矢量图，每个缸在鼻梁区以及上水孔通往鼻梁区的通道上都有旋涡出现（图3.9A的局部放大图处），主要是因为每缸都有多个通道通往鼻梁区，之后汇总往缸盖顶部流出，水流在这里有局部的冲撞，形成涡流；缸垫上水孔处也有局部的涡流，是因为上水通道在经过一个窄通道之后变宽，导致一小部分水流流向低压区形成涡流。

图11 冷却系统速度场(A为节温器开时，B为关时)

图12 缸体冷却系统速度场（A为节温器开时，B为关）

图13 缸盖冷却系统速度场（A为节温器开时，B为关时）

图14为各出水管编号；节温器打开时如图15（A）所示，缸盖顶部的水管10内的冷却水是由缸盖流向外部，流速较高。缸盖排气端1、2、3、4管处冷却水均有排气管流入缸盖且流速较为均匀，5、6、7、8管内的冷却水流向也一致，均是由排气管经过管9流回缸体，且管5、6、7、8内的冷却水流速依次减小。当冷却系统中冷却水的温度较低的时候，节温关闭。此时的冷却系统中冷却水速度矢量图如图6.12（B）从图中可以看出，由于节温器关闭，缸盖顶部的水管10内的冷却水速度为零，缸盖排气端2、3、4管处冷却水流向一致与管1相反，缸盖中的冷却水经2、3、4流入排气管，而管1处冷却水是由排气管流入缸盖，管道3、4相对1、2较大。管5、6与7、8内的冷却水流向相反，管5、6内的冷却水是由排气管流向管9，管7、8内的冷却水是由管9流入管道7、8，管5、6、7、8内的流速相对均匀。由于管5、6与7、8冷却水流速相反且速度均匀管5、6流出的冷却水大部分流向了关7、8，导致管9左半部分流回缸体的冷却水速度很低。对比图6.13（A）(B)可以看出来节温器的关与闭对缸体缸盖内的冷却水循环的影响较大，打开时冷却水流速明显大于闭合时。但是有与本节温器打开温度条件较低，故不会对缸体缸盖的冷却效果产生较大影响，缸体缸盖的冷却效果较好

图14 冷系统部分管编号

图15 缸体缸盖冷却系统速度矢量图（A为节温器开时，B关）

3.4 流量分析

图16所示为缸盖各上水孔编号，各水孔流量分布如图17所示。从各水孔流量分布来看，无论节温器是开或闭，缸盖后端上水均比前端多，这不利于前端的冷却，因为后端上来的水很快就排出。从三个缸间（水孔编号2～7）的上水量来看，每缸间的排气侧（1、2、3、4、5、6）比进气侧（9、10、11、12、13、14）多，对于鼻梁区来说，水流的这种分布是比较合理的。

从各缸的冷却效果来看，虽然1、2缸的冷却水流量相对较小，但3、4缸的进、排气两侧的流量过于悬殊，尤其是第四缸，这将导致该缸沿周向的冷却不均匀，气缸的温度梯度增大，从而容易引起缸孔失圆，导致局部早期磨损。

图16 发动机水孔编号

图17 水孔流量分布(A为节温器开时，B为关)

4 结论

本文采用STAR-CCM+软件建立发动机冷却系统的CFD仿真模型，通过仿真分析得出以下结果：

发动机冷却系统压力损失大部分发生在排气管水套中；缸体缸盖内损失较小。

节温器打开时候缸体缸盖冷却系统速度明显大于节温器关闭时，节温器的关与闭改变了缸体、缸盖冷却水套与排气管水套的冷却水交换状况；

发动机冷却系统特别是缸盖上，旋涡较多；

发动机鼻梁区冷却效果较好；

整机冷却系统的冷却效果较好，能够将缸体、缸盖冷却水套的冷却水保持在一个合适温度范围内。

参考文献

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[2]陈家瑞. 汽车构造(上册)第三版[M].机械工业出版社,2009.

[3]王昌,张志峰.某汽油发动机冷却系统的仿真模拟分析[J].机械工程与自动化,2019(04):98-100.

[4]David Bosak, Philip Walsh,Steve Parker. Engine thermal management methods and control systems[P].:US11492969,2022-11-08.

[5]Cho Hoon,Jung Dohoy,Filipi Zoran S.,Assanis Dennis N.,Vanderslice John,Bryzik Walter. Application of Controllable Electric Coolant Pump for Fuel Economy and Cooling Performance Improvement[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2007,129(1).

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[7]Perset D, Jouannet B. Simulation of a cooling loop for a variable speed fan system[J].SAE International Congress and Exposition,1999.

[8]袁新.基于CFD技术汽车发动机冷却系统匹配性设计[J].机械设计与制造,2020(04):156-160.

作者简介：通讯作者：王营超（1991—），男，硕士研究生，讲师，发动机CAE仿真优化；李凡（2000—），男，学生，发动机CAE仿真优化；刘亚锁(1994—)，男，工程硕士，讲师，风能开发利用;周新龙（2000—），男，学生，发动机CAE仿真优化。

基于STAR-CCM+的发动机冷却系统仿真分析

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