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【摘 要】文章利用一维流体软件Flowmaster对公司某车型的整车冷却系统建立1D管路模型进行稳态不可压计算，即不考虑温度的影响，计算分析冷却系统大、小循环开启时各冷却回路的流量分配情况，评估了原车型的冷却管路设计的合理性，并在原车型冷却系统的基础上对新车型的冷却系统结构管路进行优化设计和模拟分析，对比分析后确定暖风管路优化设计方案。运用仿真软件进行模拟计算，為零部件的设计开发提供支持，缩短了冷却系统的设计开发周期。

【关键词】Flowmaster；冷却系统；冷却管路；冷却液流量

【中图分类号】U464 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）10-0043-04

0 前言

冷却系统是整车系统中非常重要的子系统结构，合理的管路布置结构，能够确保冷却液在各冷却回路上的流量分配更加合理，使发动机机体温度维持在合适的工作温度。发动机工作时产生大量的热量，如汽油机气缸内温度可达到1 800～2 000 ℃。与高温燃气相接处的零件受到强烈的加热，因此需要冷却。一般来说，燃油燃烧后产生的热量分配大约30%用于做功，30%通过排气门排出，10%由发动机表面散发，30%需要由发动机冷却系统散热。

如果冷却系统设计不当，发动机得不到充分冷却，会过热。于是，充量系数下降，燃烧不正常，发生早燃和爆燃现象；零件过热导致材料力学性能降低和产生严重的热应力，导致变形和裂纹；温度过高，会使机油变质，烧损和结焦而失去润滑性能，破坏润滑油膜，零件的摩擦和磨损加剧。这些都将引起发动机动力性、经济性、可靠性和耐久性的全面恶化。

发动机的冷却方式分空气冷却和液体冷却2种。空气冷却就是将空气吹向带有散热片的缸体和缸盖，直接带走热量，这种方式在摩托车发动机上应用较多。液体冷却就是利用冷却水在发动机气缸、燃烧室周围的水套内流动吸热，带走热量，然后再流到散热器，将热量散发到空气中，如此不断循环。冷却水的合适温度为90～100 ℃。水温过高或过低对发动机的工作都不利。

液体冷却是水作吸热介质冷却内燃机的高温零件，然后再将热量传给空气的冷却装置。这种冷却方法的优点是冷却比较均匀，可使内燃机稳定在最有适宜的水温下工作，运转时噪声小。

冷却方式根据冷却液在内燃机中流动方法的不同，分为自然循环冷却和强制循环冷却2类。现代内燃机多数为强制冷却模式：冷却液在冷却水泵的作用下，由水泵进入发动机缸体、缸盖冷却，带走热量，再经过散热器，将内燃机传给冷却液的热量散到大气中，维持冷却液温度在合适的范围内。燃料在发动机气缸内燃烧后所产生的热量只有20%～45%转变为有效功，其他热量均以不同方式损失掉了。按照热能表现为有效功和各种损失的数量分配来研究燃烧中热量的利用情况称为内燃机的热平衡。冷却系统重点关注发动机传给冷却液的热量，按照如下公式计算：

Qt=Qvp cw（t2-t1）

其中，Qvp为冷却系统的冷却液每小时的流量，单位为L/h；cw为冷却液的定压比热容，单位为kJ/（kg·K）；t2，t1分别为冷却液在发动机进口和出口处的温度，单位为K。

1 冷却系统结构

冷却系统分为发动机冷却系统和整车冷却系统。发动机冷却系统的主要功能是提供冷却液在这个冷却系统中循环的动力（水泵），吸收发动机产生的热量（缸体和缸盖的水套），控制发动机在适合的温度下运行（节温器），向整车冷却系统提供热量。整车冷却系统的主要功能是冷却冷却液（散热器），向驾驶舱提供热量（暖风机），排出冷却系统中产生的气体和容纳冷却液膨胀后多出来的冷却液（溢水壶或膨胀箱）。冷却系统结构示意图如图1所示。

本文通过利用一维热流体软件Flowmaster搭建了公司某车型冷却系统管路模型，进行稳态不可压（imcompressible steady）计算，即计算冷却液在大、小循环开启工况，即温度在75 ℃（节温器关闭）和105 ℃（节温器全开）时，冷却回路在发动机各转速下的流量分布情况。并在该车型的基础上，利用Flowmaster软件对新车型的冷却管路进行优化设计，要求新车型和原车型的冷却能力基本一致。

1.1 Flowmaster软件简介

Flowmaster是目前应用非常广泛的一款一维热流体仿真软件，是比较完善的一款系统级仿真软件，能够解决含有各种复杂元件的工程应用问题。其发展历史如下。

1968—1971年，D.S.Miller作为英国流体力学研究协会（BHR）首席主管专家，主要研究2个方面的内容：{1}收集、解释现有的系统内流损失数据；{2}对大量流体系统部件进行试验，得到可靠的流动损失数据。

1978年，Miller出版了《Internal Flow Systems》一书，该书包含了大量的试验设计及原始数据，在此基础上为系统内流设计提供了详尽的设计指导方案。

1981年，BHR开始开发一款系统内流计算的商业软件，集成试验所得到的全部数据及Miller先生的经验数据。

1987年，Flowmaster正式投入市场，至今20多年的流体系统仿真咨询的成功经验。

2 冷却系统模拟仿真

2.1 原车型冷却系统1D模型建立

在3D建模软件NX软件中将整车冷却系统的冷却管路和相关的冷却部件依次装配起来，形成完整的整车冷却系统3D数模图，然后根据整车冷却管路布置3D模型，在Flowmaster软件中搭建原车型冷却系统1D仿真分析模型（如图2所示）。

2.1.1 仿真模型相关参数输入

2.1.1.1 冷却水套参数

发动机冷却水套是整车冷却系统中很重要的流阻部件，模拟仿真模型中用离散流阻元件代替，需要输入其流量vs压力特性数据，一般可通过试验测量获得，或者通过3D CFD软件计算获得。

2.1.1.2 水泵参数

冷却水泵是冷却系统中提供动力的部件，使得冷却液能够在冷却系统管路中流动，模拟软件中用离心水泵元件表示。模拟元件中需要输入水泵的性能数据，即扬程—流量—转速曲线。由于软件是根据相似原则来模拟水泵性能，因此只需要输入水泵额定转速下的转矩—流量曲线和扬程—流量曲线，再进行相关处理的Suter曲线，水泵数据由水泵供应商提供。

2.1.1.3 节温器参数

节温器是控制冷却液流动路径的阀门，即控制冷却循环大、小循环的交替，冷却系统通过节温器来调节进入散热器回路的冷却水流量，改变冷却水自身的散热强度，保证发动机在适宜的温度下工作。当冷却液温度低于节温器开启温度时，节温器内的感温介质石蜡呈固体状态，节温器阀在弹簧预紧力的作用下关闭冷却液流向散热器的通道，冷却液只能经过旁通通道、水泵返回发动机，进行小循环。当冷却液温度达到规定值后，石蜡开始熔化逐渐变成液体，体积随之增大并压迫胶管使其收缩口在胶管收缩的同时，对推杆作用以向上的推力。由于推杆上端固定，因此推杆对胶管和感温体产生向下的反推力使阀门开启。这时冷却液经过温器阀进入散热器回路，并由散热器经水泵流回发动机，进行大循环。由于节温器在加热和降温过程中有一定的迟滞效应，因此在软件元件中需要输入加热和冷却2条节温器阀门开度随温度变化的数据曲线。

2.1.1.4 散热器参数

散热器是整个冷却系统中非常重要的散热部件，将冷却液吸收的热量散发到空气中，模型中需要输入压降随流量变化特性曲线，一般由供应商试验测量所得。

2.1.1.5 暖风参数

暖风机是汽车供暖的重要部件，也是整车冷却系统中非常重要的一个流阻部件，由发动机出来的冷却液经过暖风机时，将热量经过换热翅片传递给进入驾驶舱内的冷空气，给驾驶舱提供舒适温度的空气。模拟仿真模型中需要输入暖风部件的流阻特性数据，一般由暖风机供应商提供试验数据。

2.1.1.6 冷却管路尺寸

冷却系统中的管路一般包括直管、弯管和“T”形接头。在3D数模中，测量实际管路的结构尺寸，依次输入1D模型对应的管路元件中。

2.1.2 仿真计算结果及分析

由图3可以看出，各冷却回路的流量随转速的结果呈线性关系，这是由泵的性能和冷却系统的流阻特性决定的。在各转速下，散热器回路的冷却液流量占水泵总流量的70%左右，保证了冷却系统的散热量；在节温器全开，发动机转速在为2 000 rpm，水泵转速在2 400 rpm时，暖风机冷却回路流量为11.98 L/min，根据整车需求，在发动机转速为2 000 rpm，节温器全开的工况下，暖风回路冷却液流量要大于6 L/min。要求散热器回路的冷却液流量在节温器全开（大循环开启）时，各转速下的流量占总流量的百分比要大于60%；因此，原车型冷却系统基本能够满足整车的冷却要求。

2.2 新车型冷却系统1D模型搭建

由于车型业务需求变更，需将原车型的暖风机去掉，为了达到和原车型冷却效果一致而不影响原车的冷却，新车型冷却系统是在原车型冷却系统的基础上进行了更改，将暖风机进、出水管路直接短接，其他冷却回路管路保持不变，但需在短接回路上加节流孔结构，才能達到与原车冷却系统一致的流量分配情况。现有节流孔径6 mm和9 mm 2种方案，需要通过Flowmaster仿真计算后确定节流孔径大小的方案。新车型冷却系统管路模型如图4所示。

2.2.1 仿真计算结果及分析

节温器全开（105 ℃）工况时，暖风回路、散热器回路和水泵总流量对比结果如图5所示，结果对比可知，节流孔径9 mm方案与原车型的暖风回路流量基本一致，只有低转速时有较小差异，散热器回路及水泵总流量与原车流量基本完全重合，可以满足新车型的冷却要求；节流孔径6 mm方案虽然与原车型的散热器回路和水泵回路的流量相差不大，但暖风回路的流量比原车型的回路小很多，与原车型差异太大。

3 结论

（1）本文主要完成了原车型冷却系统模拟仿真分析，并且完成新车型2种节流孔方案的一维流场模拟计算分析。

（2）2种方案在大循环开启工况通过与原车型计算对比分析，在新车型的暖风短接回路上建议采用9 mm的节流孔径方案，才能达到原车型的冷却效果。

（3）一维流体仿真软件Flowmaster用于整车冷却系统的管路优化设计中，打破了传统的由样件生产再到实验的传统设计模式，可以大大缩短冷却管路优化设计开发周期，降低生产设计成本。

参 考 文 献

[1]周龙保，刘忠长，高宗英.内燃机学[M].第3版.北京：机械工业出版社，2010.

[2]佚名.flowmaster v7软件模块及其新功能[J].CAD/CAM与制造业信息化，2006（12）：34-37.

[3]成晓北，潘立，周祥军.车用发动机冷却系统工作过程与匹配计算[J].汽车工程，2008（9）：758-763.

[责任编辑：陈泽琦]