前言

随着国家排放法规的日益严格，市场对柴油机节能减排和可靠性的要求愈加严苛。柴油机冷却系统的工作能力直接影响受热零部件的热负荷和相关摩擦副的润滑条件，进而关系发动机的燃油消耗、污染物排放和可靠性。因此，冷却系统的精细化设计和控制技术成为柴油机研究中的重要环节。

 

长期以来，数值仿真方法，尤其是三维 CFD 技术的发展，为柴油机冷却系统优化设计提供了有效的手段［1 － 8］，然而，由于冷却系统流道结构复杂，其实际流动状态不仅与设计有关，还受到制造工艺的显著影响，这种工艺因素目前尚不能采用数值方法准确计算。因此，工程上还是采用试验测量的方法检验冷却水道的流动情况，以之检验设计与制造综合质量水平。其中各上水孔的流量常被作为内部流动情况的重要表征，涡轮流量计则是常用的传感器。上述测试过程中，涡轮流量计在安装和固定等使用过程中须采用测量板，上水孔流量测量结果受到由涡轮流量计和测量板组成的测量模块的流动阻力的影响，准确掌握这种影响，对于测量板结构优化设计、提高流量测量精确度具有重要意义。鉴于目前相关研究较少，本文中采用试验测量与模拟计算相结合的方法深入研究涡轮流量计和测量板组成的测量模块对柴油机缸体上水孔流量测量的影响，为测量板结构的优化设计和提高流量测量精确度提供理论依据。

1 柴油机上水孔流量测量试验

1. 1 试验装置和试验方法

整个试验台示意图如图 1 所示，流量计安装如图 2 所示，测量板结构如图 3 所示。试验装置为闭式系统，试验介质为清水，温度为室温。总流量使用高精度电磁流量计进行测量，布置在水泵进口前。在柴油机进出水口各布置 1 个水压传感器来测量压差和 1 个 PT100 热电阻来测量温度。变频电机和水泵布置在发动机进水口前，涡轮流量计选用 LWGY－ 10，上下两块测量板固定和安装 24 个涡轮流量计测量各上水孔流量，试验方法按某发动机冷却系统规范进行。试验仪器如表 1 所示，某六缸柴油机技术参数如表 2 所示。

1. 2 试验结果

由于试验数据较多，现只选 1 组试验数据对后面的仿真计算进行校验，其中试验边界条件为: 入口流 量 8. 37 kg / s、入 口 水 温 311 K 和 出 水 压 力11 837 Pa。各上水孔的编号如图4所示，由于试验过程中第 2，5 和 11 上水孔的涡轮流量计损坏，故将这 3 个上水孔流量数据剔除。试验所测得数据如图5 所示。

 

2 柴油机冷却水流动 CFD 分析

为研究涡轮流量计和测量板组成的测量模块对缸体上水孔流量测量的影响，采用 CFD 对引入测量模块前后各上水孔流量的变化进行对比分析。

 

2. 1 几何模型的建立

本文中研究对象为某直列六缸柴油机冷却系统，由于整体结构十分复杂，完全按照其实体建立计算模型非常困难，在保证对数值模拟计算结果不产生很大影响的前提下，对实际的实体结构进行一些简化处理，如略去某些过渡圆角、倒角等次要细节，对一些关键位置( 如缸盖水套“鼻梁”区) 不作任何简化。利用三维 CAD 软件建立六缸冷却系统的几何模型。

 

为研究测量模块对柴油机缸体上水孔流量测量的影响，对涡轮流量计和测量板进行三维建模。由于涡轮流量计的实物结构复杂，建模难度很大，而流量计中叶轮对上水孔流量的影响体现在冷却水通过叶轮时会产生一定的压力损失，所以可将流量计简化成圆柱筒，叶轮对冷却水的影响可用一个加有流量-压损曲线 的 inerior 面来代替，如图 6 所示。对 LWGY － 10 涡轮流量计中叶轮的流量-压损关系进行了测量，结果见表 3。

 

将流量-压损关系拟合为二次多项式，其表达式为

 

式中: Δp 为压力损失，Pa; a 为压力损失系数; qv 为通过流量计的质量流量，kg / s; ρ 为液体密度，kg /m3;d 为流量计内径，m。

对比式( 1) 和式( 2) 可见，两者趋势相符，均为二次函数。

 

2. 3 计算网格模型的建立

分别对所建带与不带测量模块的柴油机冷却水流动模型划分网格，根据文献［9］并结合实际冷却系统的设计特点，计算网格采用六面体网格，网格尺寸为 2 mm，为改善模型的收敛性，对流体进出口进行了适当的延长。两种模型的网格分别如图 7 和图8 所 示。模型的总网格数量分别为 936 310 和1 018 135。

 

2. 4 计算模型的边界条件和物性参数

本文中针对该六缸柴油机的额定工况进行计算，入口采用质量流量入口边界条件，总 流 量 为6. 67 kg / s，入口水温为 353 K，出口采用自由流出边界条件，其余边界默认为壁面。通过 Starccm + 的压降模型将式( 1) 编入算例测量段中建立的 inerior面，达到模拟真实涡轮流量计叶轮压损的目的。较后得到原机和增加测量模块后各缸总流量和各上水孔流量，并对比前后差异，分析出测量模块对柴油机缸体上水孔流量测量的影响。

3 计算模型的试验校验

为了保证计算模型的准确性，本文中使用柴油机上水孔流量测量试验台测得的上水孔流量试验数据( 见图 5) ，对增加相应测量模块后的计算模拟结果进行校验，计算模拟与试验结果对比见图 9。由图可见，计算模拟结果的较大相对误差为 4. 92% ，表明计算模拟结果具有足够的精度。

 

4. 1 对各缸流量测量的影响

将各缸上水孔流量相加便得到各缸流量，增加测量模块前后各缸的流量值和相对误差如图 10 和图 11 所示。可以看出，增加测量模块后，上水孔流量的较大相对误差小于 1% 。从图7 可以看出，这是由于各缸进水为并联，相互影响比较小，即各缸流阻接近，加上测量模块后等于在各缸上增加了同等大小的流阻，对各缸流量分配的测量结果不会造成大的偏差。