机械工程师MECHANICALENGINEER某车型冷却系统流量分配研究方明壮，张光亚，张帆，彭婧，李小梅，唐海国（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）摘为了确定某新车型压缩空气减压阀回路的设计管径，通过一维流体软件Flowmaster研究了该车型冷却系统各回要：路的流量分布情况，得到了满足设计流量要求的减压阀回路设计管径为6mm。最后经实车验证表明设计值满足了冷却系统各回路的流量要求。冷却系统；流量分配；一维流体软件关键词：中图分类号:U467.2文献标志码:粤员园园圆原圆猿猿猿03原园114原园3文章编号：（圆园员9）FANGMingzhuang，ZHANGGuangya,ZHANGFan,PENGJing,LIXiaomei,TANGHaiguo（SAIC-GM-WulingAutomobileCo.,Ltd.,Liuzhou545007,China）ResearchonFlowDistributionofCoolingSysteminaCertain-typeVehicleAbstract:Inordertodefinethereducingvalvelooppipediameterofnewcarindevelopmentphase,thispaperresearchesflowdistributioninthevehiclecoolingsystemusingone-dimensionalfluidsoftwareFlowmaster.Thedesignofthepressureshowsthatthedesignvaluemeetstheflowrequirementsofeachcircuitofthecoolingsystem.Keywords:coolingsystem;flowdistribution;one-dimensionalfluidsoftwarereducingvalvecircuitthatmeetsthedesignflowrequirementsisdeterminedtobe6mm.Theactualvehicleverification0引言面。减压阀回路的要求为：发动机5400r/min时的水流量为6L/min，750r/min时为0.4L/min。原冷却系统要求：1）暖风机回路在发动机转速为2000r/min时的流量大于6L/min（单暖风）；散热器满足极限工况散热需2）求。需要通过分析确定减压阀回路合适的管径大小，并对新增回路对冷却系统的影响进行评估。随着排放法规越来越严格，对发动机的节能减排技术的要求越来越高，同时也给各种代用燃料发动机带来了发展机遇。在此过程当中发动机增压技术、缸内直喷技术，天然气发动机（CNG）技术在市场上逐渐兴起。伴随新技术的应用也给发动机的冷却能力带来新的挑战。如何在不影响原有系统散热的情况下，满足新冷却回路的散热是个亟待解决的问题。文中结合某天然气商用车发动机冷却系统开发过程对冷却系统的流量分配进行了探讨，通过一维流体软件对冷却系统流量分配进行了分析。并通过在该车型上的成功开发应用，对分析结果进行了验证。2冷却系统流量分配基本理论文献[1]指出，到目前为此，雷诺数一直被认为是作为在相似几何系统中低马赫数（流速低于10m/s的典型流动）时，恰当的标定准则。通过雷诺数对流动损失进行无量纲化，流体的流动损失只与流经元件的几何结构和流动的状态有关，而与液体的种类无关。对雷诺数有如下的定义：Re=自d/淄。其中：自为名义速度，m/s；d为水力直径，m；淄为运动黏度，m2/s，物理意义上代表惯性力与黏性力的比值。在具体的工程应用中，液体在管路中流动，当可以认为是完全的湍流状态；当ReRe大于5000时，小于2000时，处于层流状态；介于两者之间时，将会是不确定的，处于湍流和层流之间的过渡状态。而当Re大于2500时，如果流体在入口被锋利的进口、特殊的阀门或者其他流阻元件扰乱，湍流的生成则可以稳定地维持下去。冷却系统流量的分配，主要受各回路流阻的影响。各回路的流阻主要受下面因素的影响：内因。主要指1）流体流动的状态，层流时，主要是黏性耗散；湍流时，主要是黏性耗散和黏性与湍流扩散。其中层流是指流体在流动过程中平行于流动方向上两层流体之间没有相互渗1背景介绍该机型在现有某汽油机车型的基础上，研究增加减压阀回路后，冷却系统是否能满足增加回路的流量要求（a）原冷却系统（b）新冷却系统图1冷却系统对比示意图以及评估对整个冷却系统流量分布的影响。两个系统的对比图如图1所示。CNG车型将在原来某车型的基础上，从发动机暖风进水钢管上引水，流经减压阀（如图1中圆圈所示），然后从散热器回水组合通管直接回到水泵前114圆园员9年第3期www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com网址：机械工程师MECHANICALENGINEER透，仅做有序的平滑流动，此时流体惯性力对流体的作用小于黏性力；湍流是指流体在流动过程中不同层流体相互渗透，呈无序的混乱状态，流体惯性力对流体的作用大2.70mm到满足回路流量的对应管径分别为4.98、（如表1所示），取较大的管径值5mm。到此得到了满足减压阀回路流量要求的最小管径要求。在CNG机型中，减压阀回路的最小管径只要大于5mm就可以满足该回路的流量要求。图3为减压阀回路流量设定为6L/min@5400r/min时，各回路的流量分布。表1对应流量要求下的软件计算结果减压阀流量要求6L/min@5400r/min2）于黏性力。外因。主要指管路、粗糙度、管径大小、形状、长度等因素。对于流经一个流阻元件的流体来说，其损失的能量可以用水头或者压头来表示。则流经该流阻元件的损失系数可以表达为·（籽U）。K=2驻Hg/U=2驻P/；驻H=fLU（/2gD）222水泵转速/(r·min-1)6480900管径计算结果/mm2.704.98（1）（2）K=fL/D,即对于确定的圆管来说，20.4L/min@750r/min驻H为水头损失，包含静水头和动水头，m；U为名义其中：速度，m/s;L为圆管的长度，m；籽为流经液体的密度，kg/m3；驻P=fLU籽（/2D）。（3）驻P为压头损失，包含静压和动压，N/m2；K为损失系数，DD=4伊通道截面积衣流经截面积对应周长，m；为水力半径，f为管路的摩擦因数。可以通过下面的Colebrook-White公式进行求解：图35400r/min时各回路流量分布0.92蓡。f=0.25/蓘log/3.7D）+5.74/Re）（k（对于具有N个流阻元件的流体回路来说，有：驻H1越移驻Hi；ni=1ni=1（4）通过以上的配平计算得到了满足减压阀回路的最小管路要求，但增加的回路对原有系统的影响需要通过对原有系统和新系统的流量分布情况重新进行评估。为此将在下面对新旧系统分别进行分析，以便找到最合适的（5）（6）由式（1）（6）可以得到各个回路总的流动损失系~式数，和强电中的并联电路类似，流量按流阻的大小在各个回路中进行分配。驻P1越移驻孕i。4减压阀回路管径。结果评估与优化分析结果评估———暖风流量根据配平分析得到的管径，搭建完整的新冷却系统4.1一维模型。因为增加的回路从暖风回路取水，对暖风回路的影响较大，下面将重点对减压阀回路管径对暖风和散热器回路的流量影响进行评估，通过分别计算减压阀回路管径分别在5、通6、7、8mm时的各回路流量分布情况，过对比找到对各回路流量影响最小的管径。原有车型在发动机转速为2000r/min时的流量分布如图4所示，CNG车型如图5所示。减压阀各管径方案在发动机2000r/min表2CNG机型各管径方案对比(2000r/min)减压阀方案回路管径/mm123456783一维流体仿真分析3.1仿真建模根据本车型的冷却系统构成及布置，采用Flowmaster建立了本车型的冷却系统仿真模型[2-3]，如图2V7.9软件，所示，黑色方框内为增加的减压阀回路。暖风回散热器暖风流量/路总流回路流min-1）（L·水泵总流量/减压阀散热器回路流回路流量/量占总-1Lmin（·）（·）（·）（·）流量/%Lmin-1Lmin-1Lmin-18.21012.4929.2643.822.07066.778.2058.2028.20012.5312.5412.5529.2329.2229.2243.8343.8443.892.1202.1362.14466.6866.6566.57量/量/图2CNG车型冷却系统仿真模型说明：1）分析在2000r/min下各方案的流量分布；2）暖风要求：暖风6L/min@2000r/min。3.2分析及结果搭建减压阀回路的FM模型，利用软件自带的流体配表3暖风流量/min-1）（L·8.275原车型暖风流量计算结果(2000r/min)路流量/-1暖风回路散热器回总流量/-1平模块IncompressibleFlowBalancing对整个冷却系统模型进行计算。在该模块中，通过设定节流孔的流量分别为6L/min@5400r/min，0.4L/min@750r/min。计算平衡后得路流量/路流量占/Lmin-1量（·）min）（Lmin）min-1）总流量/%（L··（L·10.6430.5143.1970.6413无水泵总流减压阀回散热器回www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com圆园员9年第3期网址：115机械工程师MECHANICALENGINEER最大的散热流量[4]需求为：最大功率Pmax=58kW；散热目籽=1035kg/m；散热方程Q=Cm驻T；散热需要的冷却液流量8.27L/min标Q=32.6kW；冷却液比热容Cp=3.62kJ/kg；冷却液密度m=1.5kg/s（86.95L/min）。通过一维软件计算散热回路在发动机转速5600r/min下的流量是否满足该理论流量要求。散热器回路的流量达到了87.76L/min，满足86.95mm时，由图6可知，在额定转速的时候，减压阀选最大管径8图4原车型2000r/min时流量分布L/min@5600r/min的散热流量要求。减压阀回路管径/mm表4散热器回路流量(5600r/min)/Lmin-1）散热器流量（·87.8787.8087.7787.76减压阀回路管径6mm56788.205L/min综上所述，只要减压阀回路的管径选择5以上就可。考虑相关误差，建议减压阀r/min，0.4L/min@750r/min）图5CNG车型2000r/min时流量分布以满足暖风回路和减压阀回路的流量要求（6L/min@5400回路设计的最小直径为6mm。试验验证经过样件制作，在选定6mm减压阀回路的冷却系统在样车的相关试验验证中，经实测减压阀回路流量分结果如表5所示，分别达到了减压阀各转速下的流量要求，并且在相关的整车冷却系统散热试验中未发生散热器散热不足现象，水温均未超过限值。验证了前面的仿真分析。表5减压阀流量要求0.4L/min@750r/min6L/min@5400r/min4.3时各流量分布计算结果如表2所示。由表2、表3可知，增加的减压阀回路与暖风回路并联，相当于变相地降低了暖风总回路的流阻，导致流量在散热器回路和暖风总回路之间重新分配，而暖风回路的流量减少了0.845%（减压阀回路按准6），并未受到很大的影响。减压阀回路的流量绝大部分来自散热器分配过来的流量。如表2、表3所示，散热器回路减少4.19%的流量和减压阀回路的流量值大体相当。样车实测结果水泵转速/(r·min-1)64809004.2分析结果评估———散热器散热在2000r/min时散热器回路将会减少约4%的流量，但流量依然占到水泵总流量的66%以上。我们需要对流量减少后的散热能力进行评估，在此对发动机在额定转速5600r/min下的散热进行分析。发动机转速5600r/min转时的最大功率为58kW，从发动机热平衡试验得到水套带走热量约为32.6kW，假设散热器进出水温差假定为6~8毅C，则在极限工况下散热器实测结果/(L·min-1)0.466.805结析，得到了减压阀回路的最佳管径为6mm，并经试验验1）通过对CNG车型冷却系统各回路的流量分布分论2）在前期开发中可以通过一维流证了设计值的合理性；体软件预先对冷却系统各回路流量进行评估，对工程设计进行前期指导，并能得到较理想的结果。[参考文献][1]MILLERDS.InternalFlowSystem[M].BHRGroupLimited,1996:5-30.87.76L/min[2][3][4]陈海松,张锡中,孙永盛,等.基于FLOWMASTER的工程机械热平衡仿真分析[J].矿山机械,2007,35(6):118-121.2011,35(2):383-386.邓义斌.车用发动机系统匹配计算研究[J].武汉理工大学学报,赵镇南.传热学[M].北京:高等教育出版社,2002.（责任编辑邵明涛）作者简介:方明壮（1982—），男，本科，工程师，从事冷却系统、整车热图6新车型5600r/min时流量分布（减压阀回路管径8）管理、整车EMC开发工作。收稿日期:2018-06-15116圆园员9年第3期www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com网址：
