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基于STAR-CCM 的双节温器总成流阻特性数值模拟.pdf
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1、第 61 卷 第 10 期Vol.61 No.102023 年 10 月October 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.10.034基于STAR-CCM+的双节温器总成流阻特性数值模拟王凤娟1,2,李雷1,2,曾超1,2,付春雨1,2,刘文涛1,2,薛厚庆1,2(1.261061 山东省 潍坊市 内燃机可靠性国家重点实验室;2.261061 山东省 潍坊市 潍柴动力股份有限公司)摘要 以某发动机双节温器总成为研究对象,利用 STAR-CCM+软件对其
2、流阻特性进行仿真模拟,并以此为输入进行整车冷却系统一维计算,获取部件水流量与节点压力结果。通过零部件流阻台架试验及实车水压测试,校验了仿真与测试的结果偏差在 8.5%以内,验证了一维和三维联合仿真方法的准确性,有效助力水冷部件降阻设计与选型匹配,缩短产品开发周期,降低试验成本。关键词 发动机;冷却系统;双节温器总成;流阻特性;数值模拟 中图分类号 U464.1 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)10-0155-04引用格式:王凤娟,李雷,曾超,等.基于拓扑优化的硬币打包机结构轻量化设计J.农业装备与车辆工程,2023,61(10):155-158.Numerical si
3、mulation of flow resistance characteristic for double thermostats assembly based on STAR-CCM+WANG Fengjuan1,2,LI Lei1,2,ZENG Chao1,2,FU Chunyu1,2,LIU Wentao1,2,XUE Houqing1,2(1.State Key Laboratory of Engine Reliability,Weifang 261061,Shangdong,China;2.Weichai Power Co.,Ltd.,Weifang 261061,Shandong,
4、China)Abstract Taking double thermostats assembly of engine as a research object,the flow resistance characteristic was simulated by STAR-CCM+software,and the one-dimensional calculation of the vehicle cooling system was carried out based on the input,and the results of component water flow and node
5、 pressure were obtained.Through the flow resistance bench test of parts and the water pressure test of vehicle,the deviation between simulation and test results was within 8.5%.The accuracy of the 1D and 3D co-simulation method was verified,which effectively assisted resistance reduction design and
6、selection matching of water-cooling components,shortened the product development cycle and reduced the test cost.Key words engine;cooling system;double thermostats assembly;flow resistance characteristic;numerical simulation0 引言节温器是发动机冷却系统的关键零部件,通过对其阀片开度的控制,实现对发动机冷却系统大循环与小循环的动态调节,对于整车冷却循环具有重要意义1-2。目
7、前,为加大冷却液流动面积、强化冷却效果、增强节温器工作可靠性,越来越多的大排量柴油机冷却系统采用双节温器配置。其中,双节温器流阻特性的准确性直接影响整车冷却系统流量和压力分布3-4。刘吉林等5以冷却系统一维计算的流量结果为边界,进行节温器三维压力场分析,获得了节温器主阀压力值;谭礼斌等6通过研究不同节温器状态对散热器整体流动阻力的影响,获得了节温器不同小循环管路内径值与流动阻力间的变化关系,依据流场分析结果为结构改进提供支持;赵前进7、孔祥健等8采用一维和三维联合分析模拟调温器总成的压力场和流动分布,为调温器主副阀弹簧力选择及结构优化提供数据支持。上述文献主要以单节温器为研究对象,未涉及双节温
8、器总成的仿真分析。而在对双节温器配置的整车冷却系统进行流量和压力仿真时,发现供方所提供的双节温器流阻特性是通过把单个节温器安装在工装上测试获取的。但双节温器总成中 2 个节温器布置存在差异,流量分配不均匀,且内部介质存在较大的流动速度变化,导致双节温器总成阻力要比供方提供的单个节温器阻力大。本文以某发动机双节温器总成为研究对象,通过三维 CFD 数值模拟获得其流阻特性,以此为仿真输入,进行整车冷却系统一维计算,以获取各水冷部件在额定工况下的流量分配与节点压力分布。通过对双节温器总成样件进行台架测试,获取其试验收稿日期:2022-09-07156农业装备与车辆工程 2023 年流阻特性,验证流阻
9、特性仿真的精确度;对实车进行系统压力测试,以对标冷却系统一维计算结果,验证一维仿真方法的准确性。1 双节温器总成流阻特性分析1.1 模型建立及边界定义以某发动机双节温器总成为例,其处于全开状态下的三维模型(含节温器盖与部分出水管)如图 1 所示。提取双节温器内部流道进行流阻特性仿真,生成的过流壁面 CFD 模型和局部体网格剖视图如图 2 所示。计算时,选定流体为 50%的冷却液,即水和乙二醇的比例为 11;介质参数为 90 下冷却液的密度及动力粘度。计算模型采用 k-湍流模型;入口采用垂直于入口截面的流速入口,出口采用压力出口边界。1.2 流阻特性计算分别对多组不同进口流量下的仿真模型进行CF
10、D 流场仿真分析,通过进、出口所在截面的压力均值计算各流量下的双节温器总成进、出口总压压降 P,结果如表 1 所示。表 1 流阻仿真结果Tab.1 Simulation results of flow resistance流量/(L/min)100200300400500600700压降/kPa1.86.714.825.839.956.575.8以 600 L/min 流量下的双节温器总成流场仿真为例,其速度云图(以双节温器体所在中心面为视图剖面)及速度流线图分别如图 3、图 4 所示,可知冷却液在 2 个节温器间的流动是不一致的,且在节温器内部小间隙处流动时存在较大的流速梯度变化。节温器总成
11、压力云图如图 5 所示,可见内部流通截面急剧变化的流域压力分布不均匀,并产生较大的压力损失。2 冷却系统一维计算2.1 搭建计算模型额定张力状态下,FEAD 系统的皮带长度即为有效长度 1 795.3 mm,自动张紧器在名义位置处提供的张紧力矩为 48.8 Nm。基于整车冷却系统布置,搭建水泵、机体及缸盖水套、节温器、油冷器、散热器等主要用水部件及其连接管路模型9,冷却系统一维模型如图6所示。2.2 一维计算参数设置及结果在发动机额定转速1 950 r/min下,水泵、油冷器、散热器的特性参数依据各供方提供的输入参数进行图 1 双节温器总成三维模型Fig.1 3D model of dual
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