图1  冷却水套几何模型

本文通过CFD软件STAR-CD对某型三缸汽油机冷却水套进行了CFD分析，得到了整个水套流场的流速以及对流换热系数分布。结果表明缸盖水套满足冷却要求，而缸体水套第三缸火里面附近的流速与换热系数均不满足要求。通过对水套进行优化后，最终缸体水套满足冷却要求。

冷却系统是影响发动机可靠性和排放的重要因素，而冷却水套则是冷却系统的重要组成部分，在冷却系统中发挥着重要作用。随着人们对发动机小型化、高功率要求的不断提高，发动机的热负荷明显增大。冷却水套结构的合理设计，能够加强对高温区域的冷却液流动，提高散热能力，降低这些区域的热负荷，有效提高发动机的可靠性和耐久性。

目前CFD技术已经成为研究发动机冷却水套的主要方法。运用CFD技术分析发动机冷却水套的冷却能力，能够找出影响发动机冷却水套性能的主要因素，进而在理论上指导设计和试验工作，能够有效地缩短研发周期，节约研发成本。

图2  缸体水套流速分布

CFD计算

1．几何模型

整个冷却水套模型包括缸盖水套、缸体水套以及缸垫水孔（见图1）。该模型包括1个进水口和3个出口（流向散热器的出口、流向节气门的出口以及流向暖风的出口）。

2．冷却液的热力学性质

计算介质选择纯水，其热力学性质如下：密度1000kg/m3，粘度0.0003kg/m·s，比热容4181.72J/kg·K。

由于计算过程中冷却水的温度变化不大，因此假设其热力学性质保持不变。

3．边界条件

入水口选择inlet边界类型，由于水泵流量为119L/min，因此折算成进水口的速度为1.155m/s。

三个出口的边界类型均选择outlet，根据实验测得的流量，计算出各个出口所占的流量百分数，分别为：散热器支路79.65%，节气门支路4.27%，暖风支路16.08%。

图3  缸体水套换热系数分布

4．设置求解参数

由于水套的计算一般是稳态的，因此采用稳态计算模式。采用迎风离散格式，一阶隐式格式离散时间项，压力与速度耦合算法选择SILMPLE。设定水套内流动为不可压缩粘性湍流流动，湍流模型为高雷诺数方程，使用标准壁面函数描述壁面附近边界层流体速度、压力等的分布，且要求贴近壁面的网格的y+值在11～200之间，残差小于10-4。

5．收敛准则

判断收敛性的一般方法就是要求残差值减小到四阶量级以下，即小于10-4。但是残差定义对于某一类问题是有用的，而这种要求在很多情况下，可能是不合适的。因此，最好的方法就是不仅用残差来判断收敛性，而且还要监视诸如出口压力、流量以及温度等相关的量。

结果分析

一般来说，整个缸盖中热负荷最集中的地方在鼻梁区。对于四气门发动机而言，两个排气门之间的区域是热负荷最大的地方，要求此处的换热系数（HTC）在13000W/m2K以上。

从结果来看，鼻梁区的最低对流换热系数也达到了15800W/m2K，明显高于要求值，表明缸盖水套具有良好的冷却条件。

图4  优化方案缸体水套流速分布

而对于缸体的冷却条件的评价重点区域在缸体上部，即火力面的地方，因为燃烧集中在活塞接近于上止点的位置处，因此缸体上部的热负荷较大，要求此处的流动速度不能低于0.5m/s，对应的换热系数在5700W/m2K左右。从缸体水套的流速分布（见图2）来看，在第三缸的最右端火力面附近，流速明显小于0.5m/s，对应的换热系数也低于5700W/m2K的要求（见图3）。

优化设计

根据前面的分析得知在第三缸的最右端火力面附近，流速明显小于0.5m/s，对应的换热系数也低于5700W/m2K的要求。造成这种原因主要是由于从缸体前端流向后端的冷却水基本都从缸垫水孔1和2流向缸盖，只有极少的冷却水会流向缸垫水孔1和2之间的区域，从而在这部分区域产生滞止区，所以造成流速过低，以及对应的换热系数也达不到5700W/m2K的要求。因此优化的方向是去掉水孔1。

图5  优化方案缸体水套换热系数分布

优化后，再次进行CFD分析。优化方案的计算结果见图4、图5所示。缸体水套流速得到明显的改善，火力岸的流速至少高于0.65m/s，换热系数也明显高于5700W/m2K，均满足要求。

结语

本文通过CFD软件STAR-CD对某三缸汽油机冷却水套进行了CFD分析，发现原方案缸盖鼻梁区的对流换热系数均高于要求的13000W/m2K，表明缸盖水套具有良好的冷却条件。而在缸体第三缸的最右端火力面附近，流速明显小于0.5m/s，对应的换热系数也低于5700W/m2K的要求，因此必须对水套进行优化。

通过去掉水孔1后，缸体水套流速得到明显的改善，火力岸的流速至少高于0.65m/s，换热系数也明显高于5700W/m2K，均满足要求。