随着发动机行业的快速发展，人们对排放性、经济性、动力性要求不断提高，为了更好地保证发动机工作于正常温度下，一种新型的冷却方式一一缸盖集成排气歧管式的冷却水套应运而生。集成排气歧管冷却水套有效地降低了在满负荷及接近满负荷区域中的油耗，也减小了在欧洲运行循环试验中的C02排放量，同时也改善了发动机的热循环以及汽车客舱的预热。但是由于缸盖集成排气歧管后，复杂性加大且排气歧管处水套若设计不完善会造成缸盖热负荷急剧加大。近年来，随着计算流体动力学(CFD)软件的发展，越来越多地用模拟计算方法。
同时，2006年，郭立新等科研人员采用直接热流耦合的计算方法计算了某汽油机汽缸盖和机体的温度场，测点计算值和实际值的最大误差约为7.64%，反映该方法具有足够的精度。
本文运用STAR-CCM+软件对整个水套进行了流场分析，获得了速度场、压力场及换热系数的分布，可对冷却效果进行评价，为发动机冷却水套的设计提供参考。
1 计算模型及计算方法
1.1 建模及网格划分
基于排气歧管水套处的冷却水的来源不同，可以建立以下几种模型，以讨论不同的冷却液流动形式对缸盖缸体主水套带来的影响。
以上三个方案为带有排气歧管水套的整体水套，为简化计算，略去了机油冷却器等。整个冷却水套模型包括水泵（为简化计算，对水泵部分只保留部分涡形空腔）、缸体水套、缸盖水套、排气歧管水套、缸垫水孔。该模型包括一个进口（水泵进口）和两个出口（缸盖水套出水口及缸体水套出水口）。下面分别对每个模型的冷却液具体流动情况进行说明：
方案一：冷却液由水泵入口处进入，整个冷却水路分为三个部分：一部分由布水道处的上水孔进入缸盖进气侧，之后流到排气侧由出水口流出；一部分进入缸体水套冷却；另一部分进入缸体之后由缸体的上水孔流入排气歧管水套，冷却排气歧管之后与来自缸体的冷却液汇合，最后由同一出口流出（见图1）。
图1 水套模型（方案一）
方案二：冷却液由水泵入口处进入，一部分进入缸体进行冷却之后由独立的缸体出水口流出；一部分由缸体布水道上的上水孔进入缸盖进气侧之后流入缸盖排气侧，从缸盖顶侧至下流过两排气道之间的鼻梁区后流到底层排气歧管水套；另一部分由缸体的上水孔流入顶层排气歧管进行冷却，之后与底层的排气歧管冷却液一起由出口处流出（见图2）。
图2 水套模型（方案二）
方案三：冷却液分为两部分：一部分由布水道进入缸体，冷却缸体后由缸体出水口流出；另一部分由布水道处的上水孔进入缸盖进气侧之后流入缸盖排气侧，至上而下流过两排气道之间的鼻梁区后，流入排气歧管进行冷却之后由缸盖出水口流出（见图3）。
图3 冷却水套几何模型（方案三）
1.2 数学模型及边界条件 1.2.1 数学模型
流体运动是最复杂的物理行为之一，与结构设计领域中应力分析等问题相比，其建模与数值模拟要复杂的多。但是，对于任何复杂的湍流流动，N-S方程都是适用的。冷却水套中冷却液的流动，其实质就是流体流动与换热问题。
同时冷却水套内的流体流动为湍流流动，需要附加湍流方程。湍流模型的选取要视具体情况而定，本模型中选取标准k-ε湍流模型。
1.2.2 边界条件及参数设置 本次计算加载的边界条件如下：
a.水泵涡形腔进口边界条件采用流量边界条件，取发动机最大负荷下的水泵流量190L/min，进口冷却液温度设定为90℃。
b.出口采用压力边界条件，取压力值1.5bar
c.整个模型采用分离流体温度条件，缸体壁面温度设定为100℃，缸盖壁面温度设定为120℃。
2 结果分析
2.1 总压降
由于冷却水套中各部位压力的绝对值与出口处压力值及参考压力的设定有关，且主要关注的是整个水套中的总压降，为避免误解，这里略去各部位压力的数据值。由于进出口压差可以反映出冷却液在水套中的总流动损失，压差应越小越好，一般计算总压损失，不同的发动机水套可以接受的范围是不同的。同时要求冷却液在进、出口处不得有急剧的压力降，水流沿程的压力变化应缓和。本文通过统计进出口的总压降来查看三个水套的压力场是否合格，经过计算统计，方案一进出口压损为1.32bar,方案二进出口压损为0.88bar，方案三进出口压损为0.77bar。相对于水泵的扬程，三个方案的压力损失均在可以接受的范围内（在可以接受的范围内时，整个水套的压力损失越小越好）。
图中颜色变化比较大的地方即是压力损失较大区域，由图4-6可以看出，三个方案中缸体水套的上水孔均出现较大的压力损失，此处作为缸体水套中冷却水的出口，压损的产生是不可以避免的，同时也说明可以通过调整此处水孔的大小来调节缸体水套的流量。同时注意到，方案一（图4）由于排气歧管中冷却液通过上水孔全部来自于缸体水套，整个压力损失比较大。
图4 压力场分布（方案一）
图5 压力场分布（方案二）
图6 压力场分布（方案三）
2.2 速度结果分析 2.2.1 缸盖速度分析
如图7-9为缸盖速度场分布，分析上图，可知方案二和方案三的缸盖速度分布比较均匀，且流速较方案一明显提高。究其原因，方案一排气歧管水套从缸体单独引水，在总进水量保持不变的条件下，势必造成缸盖水套流量减小（见表1），导致总体速度降低。方案三（图9）由于缸盖水套中冷却液自排气道鼻梁区至上而下流过后，全部流经排气歧管水套进行冷却，不但使得缸盖水套没有因为与排气歧管集成而受到不利影响，提高了缸盖主水套中的冷却液流速，同时排气歧管水套因为不用考虑分流量的多少，流过缸盖后全部流经排气歧管进行冷却，也使得其流速大大提高。各方案中各部分的流量分配比例见表1。
图7 缸盖速度场分布（方案一）
图8 缸盖速度场分布（方案二）
图9 缸盖速度场分布（方案三）
表1 各方案流量分配(L/min)
如图10-12为各方案两排气道之间鼻梁区的流速分布，此位置是缸盖中热负荷较大的区域，为保证良好的冷却效果，一般会要求此处区域的流速在2m/s以上。如图10，方案一一缸鼻梁区流速平均在1m/s左右，而二三缸鼻梁区流速则低于0.5m/s，四缸鼻梁区流速则达到2.5m/s，鼻梁区的冷却不均匀，也没有达到冷却要求。对比图11和图12，两者主要区别在于二三缸鼻梁区的流速上，方案二中二三缸流量较一四缸低，导致此两缸流速较低，四个缸的鼻梁区流速分不不均匀；而方案三中各缸鼻梁区流量分配均匀（表2），因此流速分布也很均匀（图12），且均处于2.5m/s左右，可有效降低排气道处的温度。
图10 排气道间鼻梁区流速分布（方案一）
图11 排气道间鼻梁区流速分布（方案二）
图12 排气道间鼻梁区流速分布（方案三）
表2 各方案鼻梁区间流量(L/min)
2.2.2 缸体速度分析
缸体相对于缸盖来说，整体热负荷并不大，一般会要求缸体火力面处的流速大于0.5m/s，同时要求缸体流速较为均匀，不要有大片的流动死区出现。由图1-3可知，由于此冷却水套为分流式水套，缸体与缸盖水套互不干扰，冷却液由缸体入口处流入之后，分
别流向缸体进气侧和排气侧后由出口流出，因此缸体中的冷却液流量对流速的分布起着至关重要的作用。由图13-15及表1可以看到，方案二缸体流量最大，因此整个的流速分布也相对好一些。比较方案一和方案三，两者缸体流量均为51L/min，但由于方案一中排气歧管水套中冷却液完全通过上水孔1流入，使得缸体排气侧受到影响，其中一缸影响最大，四缸由于靠近出口处加快了流动，所受影响稍小一些，缸体水套流速分布极其不均匀，因此不建议完全从缸体取冷却液来冷却排气歧管。对比方案二和方案三，由于方案二缸体流量较大且缸体取水孔取水量7.51L/min（对比方案一，取水量为44.23L/min），缸体水套并没有产生不利影响；但是从前述分析可知，由于方案二缸盖流量较少（排气歧管水套中分流出一部分），整体流速较低，对于重点需要冷却的部位（喷油器火花塞附近，各缸鼻梁区）均存在着流速较低且分布不均匀现象。综上述分析，三种方案中建议采用方案三。
图13 缸体流速分布（方案一）
图14 缸体流速分布（方案二）
图15 缸体流速分布（方案三）
3 结论
1)本文利用某流体软件对三种方案的冷却水套进行了计算，通过分析各自的压力场、速度场及换热系数的分布，可以比较得出各方案的优劣性，在产品研发阶段中起着重要作用。
2)缸盖集成排气歧管式的冷却水套由于整个水套分为缸盖、缸体、排气歧管三个部分，在水泵所提供的流量不变的前提下，各部分冷却液流量的分配和排气歧管水套中冷却液的来源对整个水套会产生很大的影响，因此在设计时需要反复推敲验证。
3)通过分析可知：方案一由于排气歧管水套中冷却液全部来自缸体水套，对缸体的排气侧造成影响（尤其是一缸取水位置），而且整个水套会分为三部分，为兼顾排气歧管和缸体中适当的流量，缸盖流量小于其所需流量，造成缸盖流速分布较低；方案二排气歧管水套中冷却液一部分来自缸体，一部分来自缸盖，除了需要合理控制来自缸体的冷却液流量外，对缸盖水套的均匀性也需要重点把握；相对来说，方案三流过缸盖鼻梁区的冷却液全部流到排气歧管进行冷却，极大地提高了缸盖和排气歧管中的冷却液流量，冷却效果较好。
4 误差分析
缸垫水孔属于在划分网格时极易变形的部位，因此在前处理过程中对上水孔网格做了细化处理，较好地保留水孔处的原始形状，尽可能地减小该部位的解算误差；冷却液的密度变化率约为2%，可以忽略将其设为不可压缩流体所引起的误差；边界条件给定缸体缸盖的温度（根据经验给定），会引起一定的误差，但对于流速分布的讨论影响不大。
水套分析集成设计
