基于CFD技術(shù)的小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)性能優(yōu)化研究一、緒論1.1研究背景與意義隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的加速，各類機械設(shè)備對動力源的需求日益增長且愈發(fā)多元化。小型強化汽油機憑借其體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大以及啟動便捷等突出優(yōu)勢，在眾多領(lǐng)域中得到了極為廣泛的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，它是各類小型農(nóng)機具，如微耕機、割草機、噴霧器等的核心動力，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和靈活性，助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向精細(xì)化、小型化方向發(fā)展；在園林機械領(lǐng)域，小型強化汽油機為電鋸、綠籬機、吹風(fēng)機等設(shè)備提供動力，滿足了城市綠化維護(hù)、園林景觀建設(shè)等工作對機動性和高效性的要求；在發(fā)電機組中，以小型強化汽油機為動力的便攜式發(fā)電機，在應(yīng)急供電、戶外作業(yè)供電等場景中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，保障了電力供應(yīng)的及時性和便利性。發(fā)動機在運行過程中，燃料燃燒會產(chǎn)生大量的熱量，其中一部分轉(zhuǎn)化為有效功輸出，另一部分則會使發(fā)動機零部件溫度急劇升高。若不能及時有效地將這些熱量散發(fā)出去，發(fā)動機零部件就會因過熱而出現(xiàn)一系列嚴(yán)重問題。例如，零部件材料的機械性能會下降，導(dǎo)致其強度和硬度降低，容易發(fā)生變形甚至損壞；過高的溫度還會使?jié)櫥偷酿ざ冉档?，潤滑性能變差，增加零部件之間的摩擦和磨損，縮短發(fā)動機的使用壽命；此外，過熱還可能引發(fā)發(fā)動機爆震、早燃等異常燃燒現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)動機功率下降、燃油經(jīng)濟性惡化以及排放超標(biāo)等問題。因此，高效可靠的冷卻系統(tǒng)對于維持發(fā)動機的正常運行、保證其性能和可靠性至關(guān)重要。橫流冷卻系統(tǒng)作為一種先進(jìn)的發(fā)動機冷卻技術(shù)，在小型強化汽油機中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。其冷卻液流動路徑設(shè)計巧妙，與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)有著顯著區(qū)別。在橫流冷卻系統(tǒng)中，冷卻液不是按照常規(guī)的從發(fā)動機一端流向另一端的方式流動，而是以橫向的方式在發(fā)動機內(nèi)部循環(huán)流動。這種獨特的流動方式使得冷卻液能夠更均勻地接觸發(fā)動機的各個高溫部件，從而實現(xiàn)更均勻的冷卻效果，有效避免了局部過熱現(xiàn)象的發(fā)生。而且，橫流冷卻系統(tǒng)能夠根據(jù)發(fā)動機不同工況下的熱負(fù)荷需求，更精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)冷卻液的流量和流速，提高冷卻效率，降低能量損耗。例如，在發(fā)動機高負(fù)荷運轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)能夠自動增加冷卻液的流量，確保發(fā)動機得到充分冷卻；在低負(fù)荷工況下，則適當(dāng)減少冷卻液流量，避免過度冷卻，從而優(yōu)化發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性。然而，目前對于小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)的研究仍存在一定的局限性。一方面，橫流冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化涉及到多個復(fù)雜的物理過程，如流體流動、熱傳遞以及零部件結(jié)構(gòu)力學(xué)等，這些過程相互耦合，使得傳統(tǒng)的設(shè)計方法難以全面、準(zhǔn)確地考慮各種因素的影響，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)的性能難以達(dá)到最優(yōu)。另一方面，不同型號和用途的小型強化汽油機在結(jié)構(gòu)、工作條件和性能要求等方面存在較大差異，現(xiàn)有的橫流冷卻系統(tǒng)研究成果難以直接推廣應(yīng)用，需要針對具體的發(fā)動機進(jìn)行個性化的研究和優(yōu)化。本研究聚焦于小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)性能的數(shù)值模擬及優(yōu)化，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。從理論層面來看，通過運用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，深入研究橫流冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的流體流動和熱傳遞規(guī)律，建立精確的數(shù)學(xué)物理模型，有助于揭示冷卻系統(tǒng)性能的內(nèi)在影響機制，豐富和完善發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的理論體系，為后續(xù)的研究和開發(fā)提供堅實的理論基礎(chǔ)。在實際應(yīng)用方面，通過對橫流冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以顯著提高小型強化汽油機的冷卻效率，確保發(fā)動機在各種工況下都能保持穩(wěn)定的工作溫度，從而提升發(fā)動機的整體性能，如提高功率輸出、降低燃油消耗、減少排放等。這不僅有助于延長發(fā)動機的使用壽命，降低維護(hù)成本，還能滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保和節(jié)能要求，推動小型強化汽油機在各個領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級和創(chuàng)新發(fā)展提供有力支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者和研究機構(gòu)開展了大量富有成效的工作，在數(shù)值模擬和優(yōu)化設(shè)計方面均取得了一定的進(jìn)展。在數(shù)值模擬方面，隨著計算機技術(shù)和計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬已成為研究發(fā)動機冷卻系統(tǒng)性能的重要手段。國外一些知名汽車制造商和研究機構(gòu)，如德國的寶馬、奔馳，美國的通用汽車等，在早期就投入大量資源，運用CFD技術(shù)對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。他們通過建立高精度的三維模型，考慮了冷卻液的湍流流動、復(fù)雜的熱傳遞過程以及零部件的熱膨脹等因素，對冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的流場和溫度場進(jìn)行了深入研究，為冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供了有力的理論支持。例如，寶馬公司在某款高性能發(fā)動機的研發(fā)過程中，利用先進(jìn)的CFD軟件，對橫流冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬，準(zhǔn)確預(yù)測了冷卻液在不同工況下的流動特性和溫度分布，成功優(yōu)化了冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，顯著提高了發(fā)動機的冷卻效率和可靠性。國內(nèi)在這方面的研究起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。眾多高校和科研機構(gòu)，如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國汽車技術(shù)研究中心等，積極開展相關(guān)研究工作。他們結(jié)合國內(nèi)發(fā)動機產(chǎn)業(yè)的實際需求，在數(shù)值模擬方法和應(yīng)用方面取得了一系列成果。通過自主研發(fā)和改進(jìn)數(shù)值模擬算法，提高了模擬計算的精度和效率，同時針對不同類型的小型強化汽油機，建立了個性化的橫流冷卻系統(tǒng)模型，研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)對冷卻性能的影響規(guī)律。上海交通大學(xué)的研究團隊針對某型號的小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)，采用多物理場耦合的數(shù)值模擬方法，綜合考慮了流體流動、熱傳遞以及結(jié)構(gòu)力學(xué)等因素，深入分析了系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的性能表現(xiàn)，為該型號發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了關(guān)鍵技術(shù)支持。在優(yōu)化設(shè)計方面，國內(nèi)外的研究主要集中在冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化和控制策略的改進(jìn)。國外研究側(cè)重于通過創(chuàng)新的設(shè)計理念和先進(jìn)的制造工藝，實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的輕量化和高效化。例如，一些研究采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對冷卻系統(tǒng)的零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在保證冷卻性能的前提下，最大限度地減輕了系統(tǒng)重量，提高了材料利用率。同時，在控制策略方面，開發(fā)了智能控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)發(fā)動機的實時工況自動調(diào)節(jié)冷卻液的流量和流速，實現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的精確控制和節(jié)能運行。國內(nèi)的優(yōu)化設(shè)計研究則更注重結(jié)合實際應(yīng)用場景和成本效益。一方面，通過對現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化，如調(diào)整水套的形狀、尺寸和布局，優(yōu)化冷卻液的流動路徑等，提高冷卻系統(tǒng)的性能。另一方面，在控制策略上，研發(fā)了適合國內(nèi)小型強化汽油機特點的低成本、高性能的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對冷卻系統(tǒng)的有效控制。例如，某國內(nèi)企業(yè)在一款小型農(nóng)用汽油機橫流冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中，通過對水套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和冷卻水泵的選型改進(jìn)，在不增加成本的前提下，顯著提高了發(fā)動機的冷卻效果和可靠性，滿足了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需求。然而，現(xiàn)有研究仍存在一些不足之處。在數(shù)值模擬方面，盡管CFD技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但由于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的物理過程極其復(fù)雜，涉及到多相流、相變傳熱、復(fù)雜的邊界條件等問題，目前的數(shù)值模擬模型還存在一定的誤差，對一些細(xì)節(jié)現(xiàn)象的模擬還不夠準(zhǔn)確。此外，不同數(shù)值模擬軟件之間的計算結(jié)果存在一定的差異，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和驗證方法，這給研究結(jié)果的可靠性和通用性帶來了一定的影響。在優(yōu)化設(shè)計方面，目前的研究主要集中在單一因素的優(yōu)化，缺乏對冷卻系統(tǒng)整體性能的綜合優(yōu)化考慮。而且，對于小型強化汽油機在不同應(yīng)用場景下的特殊需求，如在極端環(huán)境條件下的冷卻性能、與其他設(shè)備的集成優(yōu)化等方面的研究還相對較少。同時，優(yōu)化設(shè)計過程中往往忽視了制造工藝和成本等因素的限制，導(dǎo)致一些優(yōu)化方案在實際生產(chǎn)中難以實現(xiàn)。1.3研究內(nèi)容與方法本研究旨在深入探究小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)的性能，并通過數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方式，提出有效的優(yōu)化方案，以提升冷卻系統(tǒng)的性能，具體研究內(nèi)容如下：橫流冷卻系統(tǒng)工作過程的數(shù)值模擬：運用專業(yè)的CFD軟件，建立高精度的小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)三維模型。在建模過程中，充分考慮發(fā)動機內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點，如氣缸、活塞、氣門等部件對冷卻液流動和熱傳遞的影響，同時精確設(shè)定冷卻液的物理性質(zhì)參數(shù)，包括密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等。通過對模型施加不同的工況條件，如不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷以及環(huán)境溫度等，模擬冷卻液在橫流冷卻系統(tǒng)中的流動特性，包括流速分布、流量分配等，以及系統(tǒng)內(nèi)的溫度場分布情況，分析冷卻液在不同部位的溫度變化規(guī)律，明確高溫區(qū)域和低溫區(qū)域的分布位置。橫流冷卻系統(tǒng)性能影響因素分析：全面研究橫流冷卻系統(tǒng)中各個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，如水套的形狀、尺寸、布局，冷卻管道的直徑、長度、彎曲程度等，以及運行參數(shù)，如冷卻液的流量、流速、入口溫度，水泵的轉(zhuǎn)速、揚程等，對冷卻系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。通過控制變量法，逐一改變這些參數(shù)的值，進(jìn)行數(shù)值模擬計算，對比分析不同參數(shù)組合下冷卻系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如冷卻效率、壓力損失、發(fā)動機零部件的溫度均勻性等，確定各參數(shù)對冷卻性能的影響程度和敏感性，找出影響冷卻系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。橫流冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計：基于數(shù)值模擬和性能影響因素分析的結(jié)果，提出針對性的橫流冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方案。運用先進(jìn)的優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，對水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，尋找最優(yōu)的水套形狀和內(nèi)部流道布局，以提高冷卻液的流速均勻性和熱交換效率；同時，對冷卻系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行優(yōu)化，例如開發(fā)智能控制系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機的實時工況自動調(diào)節(jié)冷卻液的流量和流速，實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的精確控制和節(jié)能運行。通過對比優(yōu)化前后冷卻系統(tǒng)的性能指標(biāo)，評估優(yōu)化方案的有效性和優(yōu)越性。試驗驗證：搭建小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)試驗臺架，選用與數(shù)值模擬相同型號的發(fā)動機，并配備高精度的測量儀器，如流量計、溫度計、壓力傳感器等，以準(zhǔn)確測量冷卻液的流量、溫度、壓力等參數(shù)。在試驗過程中，模擬發(fā)動機的各種實際工況，對優(yōu)化后的橫流冷卻系統(tǒng)進(jìn)行性能測試，將試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性和優(yōu)化方案的可行性。通過試驗驗證，進(jìn)一步完善和優(yōu)化橫流冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，確保其在實際應(yīng)用中能夠穩(wěn)定可靠地運行。在研究方法上，本研究綜合運用了數(shù)值模擬和試驗研究兩種方法。數(shù)值模擬方法利用CFD軟件強大的計算能力和可視化功能，能夠深入分析橫流冷卻系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的物理過程，快速預(yù)測不同設(shè)計方案下冷卻系統(tǒng)的性能，為優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)和方向指導(dǎo)，具有成本低、效率高、可重復(fù)性強等優(yōu)點。試驗研究方法則能夠在真實的發(fā)動機運行環(huán)境下，獲取冷卻系統(tǒng)的實際性能數(shù)據(jù)，驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬中可能忽略的因素和問題，為數(shù)值模擬模型的修正和完善提供實際數(shù)據(jù)支持，具有真實性、可靠性等優(yōu)點。通過將數(shù)值模擬和試驗研究相結(jié)合，充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢，相互印證、相互補充，能夠更加全面、準(zhǔn)確地研究小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)的性能，提高研究成果的可靠性和實用性。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1計算流體動力學(xué)（CFD）基本理論2.1.1流體控制方程在對小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬時，流體控制方程是描述冷卻液流動和熱傳遞過程的核心數(shù)學(xué)模型，其中質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程尤為關(guān)鍵。質(zhì)量守恒方程，也被稱作連續(xù)方程，其物理意義在于反映了在流體流動過程中質(zhì)量的守恒特性。對于橫流冷卻系統(tǒng)中的冷卻液而言，在單位時間內(nèi)，系統(tǒng)中任意微元體的質(zhì)量增加量，必然等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，其中\(zhòng)rho代表冷卻液的密度，t表示時間，\vec{v}是冷卻液的速度矢量。在橫流冷卻系統(tǒng)的模擬中，該方程確保了冷卻液在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)流動時，不會出現(xiàn)質(zhì)量憑空增加或減少的情況，為準(zhǔn)確模擬冷卻液的流量分配和流動路徑提供了基礎(chǔ)。例如，在冷卻液從水泵流出，進(jìn)入發(fā)動機水套的過程中，通過質(zhì)量守恒方程可以精確計算在不同部位冷卻液的質(zhì)量流量，從而分析冷卻液在各個分支管道中的分配情況，判斷是否存在流量不均勻的問題。動量守恒方程基于牛頓第二定律，它描述了作用在流體微元體上的力與微元體動量變化之間的關(guān)系。在橫流冷卻系統(tǒng)中，冷卻液受到壓力差、粘性力以及重力等多種力的作用，動量守恒方程能夠全面地反映這些力對冷卻液流動狀態(tài)的影響。其一般形式為：\rho\frac{D\vec{v}}{Dt}=-\nablap+\nabla\cdot\tau+\rho\vec{g}，這里p是壓力，\tau為粘性應(yīng)力張量，\vec{g}表示重力加速度。通過該方程，可以求解出冷卻液在不同位置的流速和壓力分布。比如，在水套的彎道處，由于冷卻液的流動方向發(fā)生改變，動量守恒方程能夠準(zhǔn)確計算出此處的壓力變化和流速調(diào)整，幫助我們理解冷卻液在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的流動特性，為優(yōu)化水套結(jié)構(gòu)以減少壓力損失提供理論依據(jù)。能量守恒方程體現(xiàn)了能量在流體流動過程中的守恒原理，對于橫流冷卻系統(tǒng)，它主要涉及冷卻液的內(nèi)能、動能以及由于熱傳遞而引起的能量變化。在發(fā)動機運行過程中，冷卻液吸收發(fā)動機零部件散發(fā)的熱量，同時自身的動能也會因流動阻力而產(chǎn)生變化，能量守恒方程能夠精確地描述這些能量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\rho\frac{De}{Dt}=-p\nabla\cdot\vec{v}+\nabla\cdot(k\nablaT)+\Phi，其中e是單位質(zhì)量流體的內(nèi)能，k為熱導(dǎo)率，T是溫度，\Phi表示粘性耗散項。在模擬橫流冷卻系統(tǒng)的溫度場分布時，能量守恒方程發(fā)揮著關(guān)鍵作用。通過它可以計算出冷卻液在吸收發(fā)動機熱量后溫度的升高情況，以及在散熱過程中溫度的降低情況，從而準(zhǔn)確地預(yù)測發(fā)動機各部件的溫度分布，判斷是否存在局部過熱現(xiàn)象，為優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的散熱性能提供重要參考。這些流體控制方程相互耦合，共同構(gòu)成了描述橫流冷卻系統(tǒng)中冷卻液流動和熱傳遞過程的數(shù)學(xué)模型。在實際的數(shù)值模擬中，通過對這些方程進(jìn)行離散化處理，并結(jié)合合適的邊界條件和初始條件，可以求解出冷卻液在不同工況下的流動特性和溫度分布，為深入研究橫流冷卻系統(tǒng)的性能提供了有力的工具。2.1.2湍流模型在小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)中，冷卻液的流動通常呈現(xiàn)出湍流狀態(tài)。為了準(zhǔn)確地模擬這種復(fù)雜的湍流流動，需要引入合適的湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)k-\varepsilon湍流模型作為一種廣泛應(yīng)用的兩方程湍流模型，在描述橫流冷卻系統(tǒng)中的湍流流動方面具有重要的應(yīng)用價值。標(biāo)準(zhǔn)k-\varepsilon湍流模型基于湍流動能k和湍流耗散率\varepsilon這兩個關(guān)鍵參數(shù)來建立控制方程。湍流動能k反映了湍流運動的強度，它是單位質(zhì)量流體所具有的湍流動能，定義為k=\frac{1}{2}\overline{u_{i}^{\prime}u_{i}^{\prime}}，其中u_{i}^{\prime}是速度脈動分量。湍流耗散率\varepsilon則表示湍流動能由于粘性作用而轉(zhuǎn)化為熱能的速率，它描述了湍流能量的耗散程度。在標(biāo)準(zhǔn)k-\varepsilon湍流模型中，通過求解湍流動能k和湍流耗散率\varepsilon的輸運方程來封閉雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）方程。k方程描述了湍流動能的產(chǎn)生、輸運和耗散過程，其表達(dá)式為：\frac{\partial(\rhok)}{\partialt}+\frac{\partial(\rhoku_{j})}{\partialx_{j}}=\frac{\partial}{\partialx_{j}}\left[\left(\mu+\frac{\mu_{t}}{\sigma_{k}}\right)\frac{\partialk}{\partialx_{j}}\right]+G_{k}-\rho\varepsilon，其中\(zhòng)mu是動力粘度，\mu_{t}為湍流粘度，\sigma_{k}是湍流動能k對應(yīng)的普朗特數(shù)，G_{k}表示由平均速度梯度引起的湍流動能產(chǎn)生項。\varepsilon方程描述了湍流耗散率的變化情況，其表達(dá)式為：\frac{\partial(\rho\varepsilon)}{\partialt}+\frac{\partial(\rho\varepsilonu_{j})}{\partialx_{j}}=\frac{\partial}{\partialx_{j}}\left[\left(\mu+\frac{\mu_{t}}{\sigma_{\varepsilon}}\right)\frac{\partial\varepsilon}{\partialx_{j}}\right]+C_{1\varepsilon}\frac{\varepsilon}{k}G_{k}-C_{2\varepsilon}\rho\frac{\varepsilon^{2}}{k}，其中\(zhòng)sigma_{\varepsilon}是湍流耗散率\varepsilon對應(yīng)的普朗特數(shù)，C_{1\varepsilon}和C_{2\varepsilon}是經(jīng)驗常數(shù)。在橫流冷卻系統(tǒng)中，冷卻液在管道和水套中流動時，會受到管道壁面的摩擦、彎道的影響以及不同流速區(qū)域的相互作用，從而產(chǎn)生復(fù)雜的湍流現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)k-\varepsilon湍流模型能夠有效地考慮這些因素對湍流流動的影響。例如，在冷卻液流經(jīng)水套的狹窄部位時，流速會增加，湍流動能增大，k方程可以準(zhǔn)確地描述湍流動能的產(chǎn)生過程；同時，由于粘性作用，湍流耗散率也會相應(yīng)變化，\varepsilon方程能夠捕捉到這種能量耗散的情況。通過求解這兩個方程，可以得到橫流冷卻系統(tǒng)中湍流動能和湍流耗散率的分布，進(jìn)而確定湍流粘度，再代入RANS方程中，就可以計算出冷卻液的平均流速、壓力等參數(shù)，實現(xiàn)對橫流冷卻系統(tǒng)中湍流流動的精確模擬。標(biāo)準(zhǔn)k-\varepsilon湍流模型在計算效率和模擬精度之間取得了較好的平衡，適用于多種工程實際問題，對于橫流冷卻系統(tǒng)這種復(fù)雜的湍流流動場景也能夠提供較為準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，為研究冷卻系統(tǒng)的性能和優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的理論支持。2.1.3有限體積法有限體積法是在對小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬時廣泛采用的一種離散化方法，它在將連續(xù)的控制方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其離散原理和網(wǎng)格劃分方式對于模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率有著重要影響。有限體積法的離散原理基于控制體積的概念。在橫流冷卻系統(tǒng)的數(shù)值模擬中，將整個計算區(qū)域劃分為一系列互不重疊的控制體積，每個控制體積圍繞一個網(wǎng)格節(jié)點。通過對控制體積內(nèi)的流體控制方程進(jìn)行積分，將其轉(zhuǎn)化為關(guān)于網(wǎng)格節(jié)點上變量的代數(shù)方程。以質(zhì)量守恒方程為例，在控制體積V上對\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0進(jìn)行積分，利用高斯散度定理將體積分轉(zhuǎn)化為面積分，得到\frac{\partial}{\partialt}\int_{V}\rhodV+\oint_{S}\rho\vec{v}\cdotd\vec{S}=0，其中S是控制體積的表面。進(jìn)一步近似處理后，將積分形式的方程轉(zhuǎn)化為關(guān)于網(wǎng)格節(jié)點上密度和速度的代數(shù)方程，從而實現(xiàn)對質(zhì)量守恒方程的離散。這種離散方式的優(yōu)點在于，它保證了每個控制體積內(nèi)的物理量守恒，具有明確的物理意義，使得離散后的方程在物理上更加合理，能夠準(zhǔn)確地反映橫流冷卻系統(tǒng)中冷卻液的流動和熱傳遞特性。在有限體積法中，網(wǎng)格劃分方式直接影響著模擬的精度和計算成本。對于橫流冷卻系統(tǒng)這種復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，通常采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格劃分方式。在形狀規(guī)則的區(qū)域，如冷卻管道的直管段部分，可以采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有網(wǎng)格排列整齊、計算效率高的優(yōu)點，能夠快速地進(jìn)行數(shù)值計算。例如，在直管段中，采用均勻分布的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可以高效地求解控制方程，準(zhǔn)確地模擬冷卻液的流動特性。而在形狀復(fù)雜的區(qū)域，如水套與氣缸、活塞等部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)處，則采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有很強的適應(yīng)性，能夠更好地貼合復(fù)雜的幾何形狀，精確地描述冷卻液在這些區(qū)域的流動情況。例如，在水套與氣缸壁面的復(fù)雜邊界處，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以根據(jù)邊界形狀進(jìn)行靈活劃分，準(zhǔn)確地捕捉冷卻液在邊界附近的流動細(xì)節(jié)，提高模擬的精度。為了進(jìn)一步提高模擬精度，還可以采用局部加密網(wǎng)格的方法。在冷卻液流動變化劇烈的區(qū)域，如管道的彎道處、水套的狹窄部位等，對網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。這些區(qū)域通常存在較大的流速梯度和壓力變化，加密網(wǎng)格可以更精確地捕捉這些物理量的變化，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，在水套的彎道處，加密網(wǎng)格能夠更準(zhǔn)確地計算冷卻液在轉(zhuǎn)彎時的流速和壓力分布，為分析冷卻系統(tǒng)的壓力損失和散熱性能提供更可靠的數(shù)據(jù)。有限體積法通過合理的離散原理和科學(xué)的網(wǎng)格劃分方式，為小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)的數(shù)值模擬提供了有效的手段，能夠準(zhǔn)確地求解流體控制方程，模擬冷卻液在復(fù)雜系統(tǒng)中的流動和熱傳遞過程，為研究冷卻系統(tǒng)的性能和優(yōu)化設(shè)計提供有力的支持。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.2橫流冷卻系統(tǒng)工作原理2.2.1系統(tǒng)組成與工作流程小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)主要由冷卻水泵、發(fā)動機水套、散熱器、節(jié)溫器以及連接管道等部件組成，各部件協(xié)同工作，確保發(fā)動機在各種工況下都能保持適宜的工作溫度。冷卻水泵作為整個冷卻系統(tǒng)的動力源，通常由發(fā)動機的曲軸通過皮帶或齒輪驅(qū)動。其作用是為冷卻液提供足夠的壓力，使其能夠在系統(tǒng)中循環(huán)流動。以某型號小型強化汽油機為例，其冷卻水泵的額定流量為[X]L/min，能夠在發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定地為冷卻系統(tǒng)提供動力。在發(fā)動機啟動后，冷卻水泵開始運轉(zhuǎn)，將冷卻液從散熱器底部的儲液罐中抽出，通過進(jìn)水管輸送到發(fā)動機水套中。發(fā)動機水套是冷卻液在發(fā)動機內(nèi)部進(jìn)行熱交換的關(guān)鍵部件，它緊密環(huán)繞在氣缸、氣缸蓋等高溫部件周圍。水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計極為復(fù)雜，其內(nèi)部流道的形狀和尺寸經(jīng)過精心優(yōu)化，以確保冷卻液能夠充分吸收發(fā)動機零部件散發(fā)的熱量。例如，在氣缸周圍，水套的流道設(shè)計成螺旋狀，這樣可以使冷卻液在流動過程中形成較強的紊流，增強熱傳遞效果，提高冷卻效率。冷卻液在水套中流動時，不斷吸收發(fā)動機零部件因燃燒產(chǎn)生的熱量，自身溫度逐漸升高。散熱器是冷卻系統(tǒng)中的重要散熱部件，其主要作用是將冷卻液吸收的熱量散發(fā)到周圍空氣中。散熱器通常由進(jìn)水室、出水室和散熱芯組成。散熱芯采用管片式或管帶式結(jié)構(gòu)，具有較大的散熱面積，能夠有效地將冷卻液的熱量傳遞給空氣。當(dāng)高溫冷卻液從發(fā)動機水套流出后，進(jìn)入散熱器的進(jìn)水室，然后通過散熱芯的細(xì)小管道向下流動。在流動過程中，熱量通過散熱芯管壁傳遞到散熱片上，再由散熱片將熱量散發(fā)到周圍空氣中。為了增強散熱效果，散熱器通常配備有冷卻風(fēng)扇，當(dāng)發(fā)動機溫度升高時，冷卻風(fēng)扇自動啟動，加速空氣流動，提高散熱效率。節(jié)溫器是控制冷卻液循環(huán)路徑和流量的關(guān)鍵部件，它能夠根據(jù)冷卻液的溫度自動調(diào)節(jié)閥門的開度。當(dāng)發(fā)動機處于冷啟動階段或低負(fù)荷運行時，冷卻液溫度較低，節(jié)溫器關(guān)閉通往散熱器的大循環(huán)通道，使冷卻液只在發(fā)動機水套和水泵之間進(jìn)行小循環(huán)，這樣可以加快冷卻液的升溫速度，使發(fā)動機盡快達(dá)到正常工作溫度。當(dāng)冷卻液溫度升高到一定程度（如80℃-90℃）時，節(jié)溫器的閥門逐漸打開，部分冷卻液開始進(jìn)入散熱器進(jìn)行大循環(huán)，通過散熱器散熱后再回到水泵，如此循環(huán)往復(fù)，使冷卻液溫度保持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。連接管道用于將冷卻系統(tǒng)的各個部件連接起來，確保冷卻液能夠順暢地流動。管道通常采用橡膠或塑料材質(zhì)，具有良好的柔韌性和耐腐蝕性，能夠適應(yīng)發(fā)動機的振動和高溫環(huán)境。在整個冷卻系統(tǒng)中，冷卻液的循環(huán)路徑為：冷卻水泵→發(fā)動機水套→節(jié)溫器→散熱器→冷卻水泵，如此周而復(fù)始，形成一個封閉的循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)對發(fā)動機的持續(xù)冷卻。2.2.2冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)冷卻液流量、流速和溫度等參數(shù)對小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)的冷卻效果有著至關(guān)重要的影響，它們之間相互關(guān)聯(lián)、相互制約，共同決定著冷卻系統(tǒng)的性能。冷卻液流量是指單位時間內(nèi)通過冷卻系統(tǒng)的冷卻液體積，它直接影響著冷卻系統(tǒng)的散熱能力。在一定范圍內(nèi)，增加冷卻液流量可以提高冷卻效果。這是因為更多的冷卻液能夠帶走更多的熱量，使發(fā)動機零部件的溫度降低。當(dāng)冷卻液流量從[X1]L/min增加到[X2]L/min時，發(fā)動機氣缸蓋的溫度降低了[Y1]℃。然而，冷卻液流量并非越大越好，如果流量過大，會增加冷卻水泵的負(fù)荷，導(dǎo)致能耗增加，同時還可能引起冷卻系統(tǒng)壓力過高，對系統(tǒng)的密封性和可靠性產(chǎn)生不利影響。而且，過大的流量可能會使冷卻液在水套中的停留時間過短，無法充分吸收發(fā)動機的熱量，反而降低冷卻效率。冷卻液流速是指冷卻液在冷卻系統(tǒng)內(nèi)流動的速度，它與冷卻液流量和管道截面積密切相關(guān)。較高的流速可以增強冷卻液與發(fā)動機零部件之間的對流換熱效果，提高熱傳遞系數(shù)，從而更有效地帶走熱量。在水套狹窄部位，冷卻液流速加快，能夠更好地冷卻該區(qū)域的高溫部件。但流速過高也會帶來一些問題，例如會增加管道內(nèi)的壓力損失，導(dǎo)致冷卻水泵需要消耗更多的能量來維持冷卻液的循環(huán)。過高的流速還可能產(chǎn)生空化現(xiàn)象，對管道和水泵造成損壞。因此，需要根據(jù)冷卻系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)和工作要求，合理控制冷卻液流速，在保證冷卻效果的前提下，盡量降低壓力損失和能耗。冷卻液溫度是衡量冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)的重要指標(biāo)，它直接反映了發(fā)動機的熱負(fù)荷情況。合適的冷卻液溫度對于發(fā)動機的性能和可靠性至關(guān)重要。一般來說，小型強化汽油機的冷卻液正常工作溫度范圍在80℃-95℃之間。如果冷卻液溫度過低，會導(dǎo)致發(fā)動機燃燒不充分，燃油經(jīng)濟性變差，同時還會使?jié)櫥驼扯仍龃?，潤滑效果下降，增加零部件的磨損。當(dāng)冷卻液溫度低于70℃時，發(fā)動機的燃油消耗率會增加[Z1]%，零部件磨損量也會顯著增加。相反，如果冷卻液溫度過高，會使發(fā)動機零部件的材料性能下降，容易出現(xiàn)變形、裂紋等故障，還可能引發(fā)發(fā)動機爆震、早燃等異常燃燒現(xiàn)象，嚴(yán)重影響發(fā)動機的使用壽命和性能。當(dāng)冷卻液溫度超過100℃時，發(fā)動機的功率會下降[Z2]%，并且爆震傾向明顯增大。因此，通過節(jié)溫器等裝置精確控制冷卻液溫度，使其保持在合適的范圍內(nèi)，是保證發(fā)動機正常運行的關(guān)鍵。三、橫流冷卻系統(tǒng)性能數(shù)值模擬3.1模型建立3.1.1幾何模型構(gòu)建以某型號小型強化汽油機為研究對象，其在農(nóng)業(yè)灌溉、園林修剪等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。運用專業(yè)的三維建模軟件，如SolidWorks，構(gòu)建橫流冷卻系統(tǒng)的三維幾何模型。在建模過程中，對發(fā)動機的各個關(guān)鍵部件進(jìn)行精確的幾何描述，以確保模型的準(zhǔn)確性和完整性。對于發(fā)動機水套，充分考慮其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括水套的形狀、尺寸以及與氣缸、氣缸蓋等部件的貼合情況。水套環(huán)繞在氣缸周圍，其內(nèi)部流道設(shè)計為螺旋狀，以增強冷卻液的紊流效果，提高熱交換效率。同時，對水套與氣缸、氣缸蓋之間的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)建模，確保冷卻液在循環(huán)過程中不會發(fā)生泄漏。冷卻管道的建模則嚴(yán)格按照實際尺寸和布局進(jìn)行，考慮管道的直徑、長度、彎曲程度以及連接方式等因素。例如，冷卻管道采用了不同直徑的管材，在冷卻液流量較大的部位使用較大直徑的管道，以減少流動阻力；在管道的彎道處，采用了合適的彎曲半徑，避免因彎道過急導(dǎo)致冷卻液流速不均勻和壓力損失過大。散熱器的建模同樣細(xì)致，考慮其散熱芯的結(jié)構(gòu)形式（如管片式或管帶式）、散熱片的形狀和間距、進(jìn)出水室的大小和位置等。管片式散熱芯中，散熱管的排列方式和管間距經(jīng)過精心設(shè)計，以保證冷卻液在散熱管內(nèi)的流動均勻性和散熱片與空氣之間的熱交換效率。散熱片采用波紋狀設(shè)計，增大了散熱面積，提高了散熱效果。通過精確的建模，將橫流冷卻系統(tǒng)的各個部件完整地整合在一起，形成一個有機的整體，為后續(xù)的數(shù)值模擬分析提供了堅實的幾何基礎(chǔ)。3.1.2網(wǎng)格劃分采用ICEMCFD軟件對構(gòu)建好的橫流冷卻系統(tǒng)三維幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這是數(shù)值模擬過程中的關(guān)鍵步驟，直接影響到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率。在網(wǎng)格劃分過程中，綜合運用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的策略，以適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀。對于形狀規(guī)則的部件，如冷卻管道的直管段，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有節(jié)點排列規(guī)則、數(shù)據(jù)存儲緊湊、計算效率高的優(yōu)點。在直管段，通過設(shè)置合適的網(wǎng)格尺寸，如軸向和徑向的網(wǎng)格間距，生成均勻分布的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，確保在保證計算精度的前提下，提高計算效率。對于形狀復(fù)雜的部件，如水套、散熱器等，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠根據(jù)部件的幾何形狀自動生成網(wǎng)格，具有很強的適應(yīng)性，能夠精確地描述復(fù)雜的幾何邊界。在水套與氣缸、氣缸蓋等部件的復(fù)雜接觸區(qū)域，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠靈活地劃分網(wǎng)格，準(zhǔn)確地捕捉冷卻液在這些區(qū)域的流動細(xì)節(jié)。為了進(jìn)一步提高模擬精度，在冷卻液流動變化劇烈的區(qū)域，如管道的彎道處、水套的狹窄部位以及散熱器的散熱管與散熱片接觸區(qū)域，進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。通過減小這些區(qū)域的網(wǎng)格尺寸，增加網(wǎng)格數(shù)量，更精確地捕捉流體的流速、壓力和溫度等參數(shù)的變化。在管道的彎道處，將網(wǎng)格尺寸減小為原來的一半，使網(wǎng)格數(shù)量增加了[X]%，從而更準(zhǔn)確地計算冷卻液在轉(zhuǎn)彎時的流速和壓力分布。在網(wǎng)格劃分完成后，對生成的網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查，確保網(wǎng)格的質(zhì)量滿足數(shù)值模擬的要求。檢查的指標(biāo)包括網(wǎng)格的縱橫比、雅克比行列式、最小內(nèi)角等。通過調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)和進(jìn)行網(wǎng)格光順處理，使網(wǎng)格的質(zhì)量得到優(yōu)化，保證數(shù)值模擬的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。經(jīng)過質(zhì)量檢查和優(yōu)化后，橫流冷卻系統(tǒng)的網(wǎng)格模型包含[X]萬個網(wǎng)格單元，平均縱橫比為[Y]，雅克比行列式最小值為[Z]，滿足了數(shù)值模擬的精度要求。3.2邊界條件設(shè)定在對小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬時，準(zhǔn)確合理地設(shè)定邊界條件至關(guān)重要，它直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。邊界條件的確定需綜合考慮發(fā)動機的實際運行工況以及冷卻系統(tǒng)的工作特性，以下將詳細(xì)闡述冷卻液入口流量、壓力，出口壓力，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等關(guān)鍵邊界條件的確定方法和依據(jù)。冷卻液入口流量和壓力的設(shè)定依據(jù)發(fā)動機的不同工況需求。通過對發(fā)動機在實際運行中的各種工況進(jìn)行測試和分析，獲取不同工況下冷卻系統(tǒng)所需的冷卻液流量和壓力數(shù)據(jù)。例如，在發(fā)動機怠速工況下，冷卻液流量相對較小，一般為[X1]L/min，入口壓力約為[P1]MPa，這是因為怠速時發(fā)動機的熱負(fù)荷較低，產(chǎn)生的熱量較少，所需的冷卻量也相應(yīng)減少。而在發(fā)動機滿負(fù)荷工況下，冷卻液流量則需大幅增加，可達(dá)[X2]L/min，入口壓力提升至[P2]MPa，以滿足高負(fù)荷運轉(zhuǎn)時發(fā)動機大量的散熱需求。這些數(shù)據(jù)的獲取通常借助發(fā)動機臺架試驗，在試驗過程中，使用高精度的流量計和壓力傳感器對冷卻液的流量和壓力進(jìn)行實時監(jiān)測，從而得到準(zhǔn)確可靠的工況數(shù)據(jù)。冷卻液出口壓力的設(shè)定則參考大氣壓力以及冷卻系統(tǒng)的阻力情況。一般情況下，將冷卻液出口壓力設(shè)定為略高于大氣壓力，如[P3]MPa，以確保冷卻液能夠順利流出冷卻系統(tǒng)。同時，考慮到冷卻系統(tǒng)中管道、散熱器等部件會產(chǎn)生一定的流動阻力，在設(shè)定出口壓力時需適當(dāng)補償這部分阻力損失。通過對冷卻系統(tǒng)各部件的流動阻力進(jìn)行理論計算和實驗測量，獲取阻力損失數(shù)據(jù)，進(jìn)而合理調(diào)整出口壓力設(shè)定值，保證冷卻液在系統(tǒng)中的正常流動。壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是描述冷卻液與發(fā)動機壁面之間熱傳遞能力的重要參數(shù)，其大小直接影響到發(fā)動機的冷卻效果。壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的確定采用經(jīng)驗公式和實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法。對于發(fā)動機水套與冷卻液接觸的壁面，根據(jù)相關(guān)的傳熱學(xué)理論和工程經(jīng)驗，選用合適的經(jīng)驗公式進(jìn)行初步計算。在計算過程中，考慮冷卻液的流速、溫度、物性參數(shù)以及壁面的粗糙度等因素對傳熱系數(shù)的影響。例如，當(dāng)冷卻液流速增加時，壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)會相應(yīng)增大，因為流速的提高增強了冷卻液與壁面之間的對流換熱效果。然后，通過與類似發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和驗證，對計算結(jié)果進(jìn)行修正和優(yōu)化，以得到更準(zhǔn)確的壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)值。對于一些特殊部位，如氣缸蓋燃燒室附近的壁面，由于其熱負(fù)荷較高，傳熱過程更為復(fù)雜，還需進(jìn)一步結(jié)合數(shù)值模擬和實驗研究，深入分析該區(qū)域的熱傳遞特性，從而精確確定壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。3.3數(shù)值模擬結(jié)果與分析3.3.1流場分析通過數(shù)值模擬，得到了冷卻液在橫流冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流速和壓力分布云圖，這些云圖為深入分析流場特性提供了直觀且關(guān)鍵的依據(jù)。圖1展示了冷卻液在發(fā)動機水套內(nèi)的流速分布云圖。從圖中可以清晰地看到，在水套的不同區(qū)域，冷卻液的流速存在顯著差異。在靠近冷卻水泵出水口的區(qū)域，冷卻液流速較高，這是因為此處冷卻液剛從水泵獲得較大的動能，以較高的速度進(jìn)入水套。例如，在該區(qū)域的部分位置，冷卻液流速可達(dá)[X1]m/s。而在水套的一些角落和狹窄部位，流速明顯降低，形成了低速區(qū)。如在水套與氣缸的夾角處，流速僅為[X2]m/s左右。這是由于冷卻液在流動過程中受到壁面的摩擦阻力以及復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)影響，導(dǎo)致流速逐漸降低。低速區(qū)的存在可能會影響冷卻液與發(fā)動機部件之間的熱交換效率，因為流速較低時，冷卻液帶走熱量的能力會減弱，容易造成局部熱量積聚。進(jìn)一步分析冷卻液在冷卻管道內(nèi)的流速分布，發(fā)現(xiàn)管道的彎道和分支處流速變化較為復(fù)雜。在彎道處，由于離心力的作用，外側(cè)的流速高于內(nèi)側(cè)。當(dāng)冷卻液流經(jīng)90°彎道時，外側(cè)流速比內(nèi)側(cè)高出[X3]%左右，這可能導(dǎo)致彎道外側(cè)的管道壁面受到更大的沖刷和磨損。在管道分支處，冷卻液的流量分配不均，部分分支管道內(nèi)的流速較高，而部分較低。通過對各分支管道流速的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)流速最高的分支管道流速是流速最低分支管道的[X4]倍，這種流量分配不均會影響整個冷卻系統(tǒng)的冷卻均勻性，使某些發(fā)動機部件得不到充分冷卻。圖2為冷卻液在橫流冷卻系統(tǒng)內(nèi)的壓力分布云圖。從圖中可知，在冷卻水泵附近，壓力最高，隨著冷卻液在系統(tǒng)內(nèi)的流動，壓力逐漸降低。這是因為冷卻液在流動過程中需要克服管道和水套的阻力，消耗能量，導(dǎo)致壓力下降。在冷卻系統(tǒng)的末端，如散熱器的出口處，壓力降至最低。在水泵附近，壓力可達(dá)[P1]MPa，而在散熱器出口處，壓力僅為[P2]MPa。在水套的局部區(qū)域，由于流速的急劇變化和流動的不穩(wěn)定性，會出現(xiàn)壓力波動的現(xiàn)象。在水套狹窄部位，流速突然增大，壓力會急劇下降，形成局部低壓區(qū)。這種壓力波動可能會引發(fā)空化現(xiàn)象，對冷卻系統(tǒng)的部件造成損壞。綜合分析流速和壓力分布云圖，可以發(fā)現(xiàn)橫流冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流場存在一些問題。冷卻液流速分布不均勻，在部分區(qū)域存在低速區(qū)和流量分配不均的情況，這會影響冷卻效果的均勻性；壓力分布也不夠合理，存在較大的壓力損失和局部壓力波動，增加了冷卻系統(tǒng)的能耗和部件損壞的風(fēng)險。針對這些問題，后續(xù)需要對冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如調(diào)整水套的形狀和尺寸、優(yōu)化管道的布局和連接方式等，以改善流場特性，提高冷卻系統(tǒng)的性能。[此處插入冷卻液流速分布云圖（圖1）][此處插入冷卻液壓力分布云圖（圖2）]3.3.2溫度場分析通過數(shù)值模擬得到的發(fā)動機缸體和缸蓋的溫度分布云圖，能夠直觀地展示當(dāng)前冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機各部件的冷卻效果，從而深入評估冷卻系統(tǒng)的性能。圖3為發(fā)動機缸體的溫度分布云圖。從圖中可以看出，缸體不同部位的溫度存在明顯差異。在氣缸工作區(qū)域，由于受到高溫燃?xì)獾闹苯幼饔?，溫度較高，最高溫度可達(dá)[Y1]℃。這是因為在發(fā)動機工作過程中，氣缸內(nèi)的燃料燃燒產(chǎn)生大量的熱量，通過氣缸壁傳遞到缸體。而在缸體的水套附近，由于冷卻液的冷卻作用，溫度相對較低，最低溫度約為[Y2]℃。然而，在缸體的某些局部區(qū)域，如氣缸之間的隔板處，溫度仍然偏高。這是因為這些區(qū)域的冷卻液流動相對不暢，散熱效果不佳，導(dǎo)致熱量積聚。過高的溫度可能會使缸體材料的機械性能下降，增加缸體變形和損壞的風(fēng)險。圖4展示了發(fā)動機缸蓋的溫度分布云圖。缸蓋的溫度分布同樣不均勻，燃燒室周圍的溫度明顯高于其他區(qū)域，最高溫度可達(dá)[Y3]℃。這是因為燃燒室是燃料燃燒的核心區(qū)域，產(chǎn)生的熱量最多，且缸蓋的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，散熱難度較大。在進(jìn)排氣門附近，由于受到高溫氣體的沖刷，溫度也相對較高。而在缸蓋的水套覆蓋較好的區(qū)域，溫度得到了有效的控制，最低溫度約為[Y4]℃。但在缸蓋與缸體的結(jié)合部位，存在一定的溫度梯度，這可能會導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，影響缸蓋與缸體的密封性和可靠性。綜合分析缸體和缸蓋的溫度分布云圖，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前冷卻系統(tǒng)在某些部位的冷卻效果有待提高。高溫區(qū)域的存在表明冷卻液未能充分帶走這些部位的熱量，需要進(jìn)一步優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的設(shè)計。可以考慮調(diào)整水套的結(jié)構(gòu)和布局，增加冷卻液在高溫區(qū)域的流速和流量，以增強散熱效果。優(yōu)化冷卻液的流動路徑，減少流動阻力，提高冷卻系統(tǒng)的整體散熱效率，確保發(fā)動機各部件在適宜的溫度范圍內(nèi)工作，從而提高發(fā)動機的性能和可靠性。[此處插入發(fā)動機缸體溫度分布云圖（圖3）][此處插入發(fā)動機缸蓋溫度分布云圖（圖4）]3.3.3性能參數(shù)計算與分析冷卻系統(tǒng)的壓力損失和散熱效率等性能參數(shù)對于評估其性能和進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。通過數(shù)值模擬計算得到這些性能參數(shù)，并進(jìn)行深入分析，能夠為后續(xù)的優(yōu)化工作提供有力的依據(jù)。冷卻系統(tǒng)的壓力損失是衡量其能耗和流動阻力的重要指標(biāo)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，計算得到當(dāng)前橫流冷卻系統(tǒng)在額定工況下的壓力損失為[ΔP]MPa。壓力損失主要來源于冷卻液在管道和水套中的流動阻力，包括沿程阻力和局部阻力。沿程阻力是由于冷卻液與管道壁面的摩擦產(chǎn)生的，其大小與管道長度、內(nèi)壁粗糙度以及冷卻液的流速等因素有關(guān)。局部阻力則是在管道的彎道、閥門、分支等部位，由于流動狀態(tài)的突然改變而產(chǎn)生的。在橫流冷卻系統(tǒng)中，水套的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和管道的彎道較多，導(dǎo)致局部阻力占比較大。通過對各部件壓力損失的詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)散熱器和水套的壓力損失分別占總壓力損失的[X5]%和[X6]%。過高的壓力損失會增加冷卻水泵的負(fù)荷，導(dǎo)致能耗增加，同時也可能影響冷卻液的流量和流速分布，降低冷卻效果。因此，在優(yōu)化設(shè)計中，需要采取措施降低壓力損失，如優(yōu)化管道的形狀和布局，減少彎道和局部阻礙，提高管道內(nèi)壁的光滑度等。散熱效率是衡量冷卻系統(tǒng)散熱能力的關(guān)鍵指標(biāo)，它直接影響發(fā)動機的工作溫度和性能。通過數(shù)值模擬計算得到當(dāng)前冷卻系統(tǒng)的散熱效率為[η]%。散熱效率的計算公式為：[η=(Q_in-Q_out)/Q_in×100%]，其中[Q_in]是發(fā)動機產(chǎn)生的總熱量，[Q_out]是冷卻液帶走的熱量。在實際運行中，散熱效率受到多種因素的影響，如冷卻液的流量、流速、溫度，散熱器的散熱面積和散熱性能，以及發(fā)動機部件的熱傳遞特性等。通過對各因素與散熱效率的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)冷卻液流量和散熱器散熱面積對散熱效率的影響最為顯著。當(dāng)冷卻液流量增加[X7]%時，散熱效率提高了[Y5]%；散熱器散熱面積增大[X8]%時，散熱效率提升了[Y6]%。因此，在優(yōu)化設(shè)計中，可以通過適當(dāng)增加冷卻液流量和擴大散熱器散熱面積來提高散熱效率。優(yōu)化冷卻液的流動狀態(tài)，增強冷卻液與發(fā)動機部件之間的熱交換效果，也有助于提高散熱效率。通過對冷卻系統(tǒng)壓力損失和散熱效率等性能參數(shù)的計算與分析，明確了當(dāng)前冷卻系統(tǒng)存在的問題和改進(jìn)的方向。在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計中，將針對這些問題，采取相應(yīng)的措施，以降低壓力損失，提高散熱效率，從而提升橫流冷卻系統(tǒng)的整體性能。四、橫流冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計4.1優(yōu)化目標(biāo)與思路本研究以降低橫流冷卻系統(tǒng)的壓力損失、提高散熱效率以及改善冷卻均勻性作為核心優(yōu)化目標(biāo)。在實際運行中，過高的壓力損失會導(dǎo)致冷卻水泵的能耗大幅增加，降低整個冷卻系統(tǒng)的能效，因此降低壓力損失是提高系統(tǒng)能源利用效率的關(guān)鍵。而散熱效率直接關(guān)系到發(fā)動機能否在適宜的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，提高散熱效率有助于保證發(fā)動機的性能和可靠性。冷卻均勻性對于發(fā)動機的各個零部件至關(guān)重要，不均勻的冷卻可能導(dǎo)致零部件熱應(yīng)力分布不均，增加零部件變形和損壞的風(fēng)險，因此改善冷卻均勻性是延長發(fā)動機使用壽命的重要保障。為實現(xiàn)這些優(yōu)化目標(biāo)，從結(jié)構(gòu)和參數(shù)兩方面入手，提出了全面且針對性強的優(yōu)化思路。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，重點對水套和冷卻管道進(jìn)行深入研究。對于水套，運用先進(jìn)的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，基于計算流體動力學(xué)（CFD）分析結(jié)果，對水套的內(nèi)部流道進(jìn)行重新設(shè)計。通過改變流道的形狀、尺寸和布局，減少流道中的局部阻礙和渦流區(qū)域，使冷卻液能夠更加順暢地流動，從而降低壓力損失。在水套的狹窄部位，適當(dāng)擴大流道截面積，避免冷卻液流速過高導(dǎo)致的壓力損失增大；在流道的彎道處，采用平滑的曲線設(shè)計，減少彎道對冷卻液流動的干擾，降低局部阻力。同時，優(yōu)化水套與氣缸、氣缸蓋等部件的貼合結(jié)構(gòu)，增強冷卻液與高溫部件之間的熱交換效率，提高散熱效果。對于冷卻管道，通過優(yōu)化其布局和連接方式，減少管道的長度和彎曲次數(shù)，降低沿程阻力和局部阻力。采用大曲率半徑的彎管代替小曲率半徑的彎管，減少冷卻液在彎道處的能量損失；合理布置管道的分支和匯合點，確保冷卻液的流量分配更加均勻，提高冷卻系統(tǒng)的冷卻均勻性。在參數(shù)優(yōu)化方面，對冷卻液的流量、流速和入口溫度等關(guān)鍵運行參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)控。通過建立冷卻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合發(fā)動機的實際工況，運用優(yōu)化算法確定不同工況下冷卻液的最佳流量和流速。在發(fā)動機高負(fù)荷工況下，適當(dāng)增加冷卻液流量和流速，以滿足發(fā)動機大量的散熱需求；在低負(fù)荷工況下，降低冷卻液流量和流速，減少能量消耗。同時，合理調(diào)整冷卻液的入口溫度，使其既能有效地吸收發(fā)動機的熱量，又不會因溫度過低導(dǎo)致發(fā)動機熱效率下降。通過綜合考慮結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化，旨在實現(xiàn)橫流冷卻系統(tǒng)性能的全面提升，為小型強化汽油機的高效穩(wěn)定運行提供有力支持。4.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案4.2.1水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)為了提升橫流冷卻系統(tǒng)的性能，對水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列有針對性的改進(jìn)。首先，在水套形狀優(yōu)化方面，將原有的水套內(nèi)部流道由規(guī)則的直筒形改為變截面的流線型。通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，在原直筒形流道中，冷卻液在流動過程中容易在某些部位形成流動死角，導(dǎo)致流速降低，影響熱交換效率。而流線型流道能夠引導(dǎo)冷卻液更順暢地流動，減少流動阻力，使冷卻液能夠更均勻地分布在水套中，增強了對發(fā)動機高溫部件的冷卻效果。例如，在氣缸周圍的水套流道，采用流線型設(shè)計后，冷卻液流速的均勻性提高了[X1]%，該區(qū)域的平均溫度降低了[Y1]℃。在水套尺寸調(diào)整方面，根據(jù)發(fā)動機各部位熱負(fù)荷的不同，對水套的厚度和寬度進(jìn)行了差異化設(shè)計。在熱負(fù)荷較高的氣缸工作區(qū)域，適當(dāng)增加水套的厚度，從原來的[X2]mm增加到[X3]mm，以增大冷卻液的儲存量，提高散熱能力。同時，拓寬該區(qū)域水套的寬度，從[Y2]mm拓寬至[Y3]mm，使冷卻液與氣缸壁的接觸面積增大，進(jìn)一步增強熱傳遞效果。通過這種尺寸優(yōu)化，氣缸工作區(qū)域的最高溫度降低了[Z1]℃，有效改善了該區(qū)域的散熱狀況。此外，在水套內(nèi)部增加擾流結(jié)構(gòu)也是一項重要的改進(jìn)措施。在水套中設(shè)置了一定數(shù)量的擾流片，擾流片的形狀為三角形，高度為[X4]mm，間隔距離為[X5]mm。當(dāng)冷卻液流經(jīng)擾流片時，會產(chǎn)生紊流，打破原有的層流狀態(tài)，增強冷卻液與水套壁面以及發(fā)動機部件之間的對流換熱。數(shù)值模擬結(jié)果表明，增加擾流片后，水套內(nèi)部的換熱系數(shù)提高了[X6]%，散熱效率得到顯著提升。擾流片還能夠促進(jìn)冷卻液的混合，使冷卻液的溫度分布更加均勻，減少了局部過熱現(xiàn)象的發(fā)生。4.2.2水道布局調(diào)整水道布局的優(yōu)化對于提高橫流冷卻系統(tǒng)的性能也至關(guān)重要。在冷卻液進(jìn)出水口位置調(diào)整方面，將原位于發(fā)動機一側(cè)的進(jìn)水口移動到靠近熱負(fù)荷最高區(qū)域的位置。原進(jìn)水口位置導(dǎo)致冷卻液在到達(dá)高溫區(qū)域時，已經(jīng)在管道中損失了一部分冷量，冷卻效果不佳。而將進(jìn)水口移至高溫區(qū)域附近后，低溫冷卻液能夠直接對該區(qū)域進(jìn)行冷卻，提高了冷卻的及時性和有效性。例如，在氣缸蓋燃燒室附近，將進(jìn)水口靠近該區(qū)域后，燃燒室周圍的最高溫度降低了[Z2]℃。同時，對出水口的位置也進(jìn)行了優(yōu)化，將其設(shè)置在冷卻液溫度相對較高且流速較為均勻的區(qū)域，以確保能夠及時排出高溫冷卻液。原出水口位置存在部分低溫冷卻液被過早排出的情況，造成了冷卻資源的浪費。優(yōu)化后，出水口能夠更準(zhǔn)確地排出高溫冷卻液，提高了冷卻系統(tǒng)的整體效率。在進(jìn)出水口數(shù)量優(yōu)化方面，適當(dāng)增加了進(jìn)水口的數(shù)量，從原來的1個增加到2個。增加進(jìn)水口后，冷卻液能夠更均勻地進(jìn)入水套，避免了因單一進(jìn)水口導(dǎo)致的流量分配不均問題。通過數(shù)值模擬對比，增加進(jìn)水口后，水套不同部位的冷卻液流速偏差降低了[X7]%，冷卻均勻性得到明顯改善。對于水道走向的優(yōu)化，摒棄了原有的簡單直線型水道，采用了更復(fù)雜但更合理的蜿蜒曲折的走向。這種走向增加了冷卻液在水套中的流動路徑和停留時間，使冷卻液能夠充分吸收發(fā)動機的熱量。在氣缸體水套中，將水道設(shè)計為蜿蜒形狀后，冷卻液與氣缸體的接觸時間延長了[X8]%，氣缸體的平均溫度降低了[Z3]℃。蜿蜒曲折的水道還能夠增強冷卻液的紊流程度，進(jìn)一步提高熱交換效率。4.3參數(shù)優(yōu)化策略4.3.1冷卻液流量優(yōu)化冷卻液流量作為影響橫流冷卻系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一，其流量大小對冷卻系統(tǒng)的散熱效果、壓力損失以及發(fā)動機的整體性能都有著顯著影響。通過數(shù)值模擬分析不同冷卻液流量下冷卻系統(tǒng)的性能表現(xiàn)，能夠深入揭示冷卻液流量與冷卻系統(tǒng)性能之間的內(nèi)在關(guān)系，從而確定最佳流量范圍，為冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化運行提供重要依據(jù)。在數(shù)值模擬過程中，設(shè)定冷卻液流量在一定范圍內(nèi)進(jìn)行變化，如從[X1]L/min逐步增加到[X2]L/min，每次增加[ΔX]L/min。針對每個設(shè)定的冷卻液流量值，進(jìn)行全面的數(shù)值模擬計算，獲取冷卻系統(tǒng)在該流量下的各項性能參數(shù)，包括發(fā)動機缸體和缸蓋的溫度分布、冷卻系統(tǒng)的壓力損失以及散熱效率等。圖5展示了冷卻液流量與發(fā)動機缸體最高溫度之間的關(guān)系曲線。從圖中可以明顯看出，隨著冷卻液流量的增加，發(fā)動機缸體的最高溫度呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢。當(dāng)冷卻液流量從[X1]L/min增加到[X3]L/min時，缸體最高溫度從[Y1]℃降低到[Y2]℃。這是因為冷卻液流量的增加，使得單位時間內(nèi)帶走的熱量增多，從而更有效地降低了發(fā)動機缸體的溫度。然而，當(dāng)冷卻液流量超過[X3]L/min后，缸體最高溫度的下降趨勢變得平緩。這表明在該流量范圍內(nèi)，繼續(xù)增加冷卻液流量對降低缸體溫度的效果不再明顯，反而可能會帶來其他問題，如增加冷卻水泵的能耗和系統(tǒng)的壓力損失。圖6為冷卻液流量與冷卻系統(tǒng)壓力損失的關(guān)系曲線。隨著冷卻液流量的增大，冷卻系統(tǒng)的壓力損失呈上升趨勢。當(dāng)冷卻液流量從[X1]L/min增加到[X2]L/min時，壓力損失從[ΔP1]MPa增大到[ΔP2]MPa。這是由于冷卻液流量的增加導(dǎo)致其在管道和水套中的流速增大，從而加大了與壁面的摩擦阻力以及局部阻力，使得壓力損失增加。過高的壓力損失不僅會增加冷卻水泵的負(fù)荷，還可能影響冷卻液的正常循環(huán)，降低冷卻系統(tǒng)的可靠性。綜合考慮發(fā)動機的冷卻效果和冷卻系統(tǒng)的壓力損失，通過對模擬結(jié)果的深入分析和權(quán)衡，確定該小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)的最佳冷卻液流量范圍為[X3]L/min-[X4]L/min。在這個流量范圍內(nèi)，既能保證發(fā)動機得到充分冷卻，將缸體和缸蓋的溫度控制在合理范圍內(nèi)，又能使冷卻系統(tǒng)的壓力損失維持在可接受的水平，實現(xiàn)了冷卻效果和能耗之間的較好平衡。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)發(fā)動機的具體工況，在最佳流量范圍內(nèi)對冷卻液流量進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，以確保冷卻系統(tǒng)始終處于最優(yōu)運行狀態(tài)。[此處插入冷卻液流量與發(fā)動機缸體最高溫度關(guān)系曲線（圖5）][此處插入冷卻液流量與冷卻系統(tǒng)壓力損失關(guān)系曲線（圖6）]4.3.2水泵轉(zhuǎn)速優(yōu)化水泵作為橫流冷卻系統(tǒng)的動力源，其轉(zhuǎn)速直接決定了冷卻液的流量和壓力，進(jìn)而對冷卻系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要影響。研究水泵轉(zhuǎn)速對冷卻系統(tǒng)壓力和流量的影響規(guī)律，對于找到最優(yōu)轉(zhuǎn)速設(shè)置，提高冷卻系統(tǒng)的運行效率和穩(wěn)定性具有關(guān)鍵意義。在數(shù)值模擬研究中，通過改變水泵的轉(zhuǎn)速，如從[Z1]r/min逐步提高到[Z2]r/min，每次增加[ΔZ]r/min，來模擬不同轉(zhuǎn)速下冷卻系統(tǒng)的工作狀態(tài)。對于每個設(shè)定的水泵轉(zhuǎn)速，運用數(shù)值模擬方法，計算冷卻系統(tǒng)內(nèi)冷卻液的流量、壓力分布以及發(fā)動機各部件的溫度變化等參數(shù)。圖7呈現(xiàn)了水泵轉(zhuǎn)速與冷卻液流量的關(guān)系曲線。從圖中可以清晰地看到，隨著水泵轉(zhuǎn)速的升高，冷卻液流量呈現(xiàn)出近似線性的增長趨勢。當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速從[Z1]r/min提升到[Z3]r/min時，冷卻液流量從[Q1]L/min增加到[Q2]L/min。這是因為水泵轉(zhuǎn)速的提高，使得水泵葉輪的旋轉(zhuǎn)速度加快，對冷卻液的泵送能力增強，從而導(dǎo)致冷卻液流量增加。圖8展示了水泵轉(zhuǎn)速與冷卻系統(tǒng)壓力的關(guān)系曲線。隨著水泵轉(zhuǎn)速的增大，冷卻系統(tǒng)內(nèi)的壓力逐漸升高。當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速從[Z1]r/min提高到[Z2]r/min時，冷卻系統(tǒng)的平均壓力從[P1]MPa上升到[P2]MPa。這是由于水泵轉(zhuǎn)速的增加，使得冷卻液在系統(tǒng)內(nèi)的流動速度加快，流動阻力增大，從而導(dǎo)致系統(tǒng)壓力升高。進(jìn)一步分析不同水泵轉(zhuǎn)速下發(fā)動機的冷卻效果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速較低時，冷卻液流量不足，發(fā)動機的高溫部件無法得到充分冷卻，導(dǎo)致缸體和缸蓋的溫度過高。當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速為[Z1]r/min時，發(fā)動機缸蓋的最高溫度達(dá)到[Y3]℃，超出了正常工作溫度范圍。而當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速過高時，雖然冷卻液流量和壓力增加，冷卻效果有所提升，但同時也會帶來冷卻系統(tǒng)壓力損失增大、能耗增加以及零部件磨損加劇等問題。當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速達(dá)到[Z4]r/min時，冷卻系統(tǒng)的壓力損失比[Z3]r/min時增加了[ΔP3]MPa，能耗也顯著上升。綜合考慮冷卻系統(tǒng)的壓力、流量以及發(fā)動機的冷卻效果，通過對模擬結(jié)果的全面分析和優(yōu)化計算，確定該橫流冷卻系統(tǒng)的最優(yōu)水泵轉(zhuǎn)速為[Z3]r/min。在這個轉(zhuǎn)速下，冷卻系統(tǒng)能夠提供足夠的冷卻液流量和壓力，有效地降低發(fā)動機的溫度，同時將壓力損失和能耗控制在合理水平，實現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。在實際運行中，可以通過調(diào)節(jié)水泵的驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速或更換不同傳動比的皮帶輪等方式，將水泵轉(zhuǎn)速調(diào)整到最優(yōu)值，以保障橫流冷卻系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運行。[此處插入水泵轉(zhuǎn)速與冷卻液流量關(guān)系曲線（圖7）][此處插入水泵轉(zhuǎn)速與冷卻系統(tǒng)壓力關(guān)系曲線（圖8）]五、優(yōu)化方案驗證與對比5.1優(yōu)化方案數(shù)值模擬驗證對優(yōu)化后的橫流冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬工況與優(yōu)化前保持一致，以確保對比的準(zhǔn)確性。在模擬過程中，嚴(yán)格按照優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如采用優(yōu)化后的水套形狀、水道布局，以及設(shè)定最佳的冷卻液流量和水泵轉(zhuǎn)速等。通過數(shù)值模擬，再次得到優(yōu)化后冷卻液在橫流冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流速和壓力分布云圖。與優(yōu)化前相比，流速分布更加均勻。在水套內(nèi)部，原本的低速區(qū)明顯減少，冷卻液能夠更順暢地流動，各部位的流速差異顯著降低。在發(fā)動機缸體水套的某些區(qū)域，優(yōu)化前流速最低可達(dá)[X1]m/s，而優(yōu)化后流速最低提升至[X2]m/s，且大部分區(qū)域的流速都能保持在較為穩(wěn)定的范圍內(nèi)，流速均勻性提高了[X3]%。在冷卻管道的彎道和分支處，流量分配不均的問題也得到了明顯改善，各分支管道內(nèi)的流速偏差降低了[X4]%，使得冷卻液能夠更均衡地對發(fā)動機各部件進(jìn)行冷卻。壓力分布方面，優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)壓力損失明顯降低。在冷卻水泵附近，壓力峰值有所下降，從優(yōu)化前的[P1]MPa降至[P2]MPa。隨著冷卻液在系統(tǒng)內(nèi)的流動，壓力下降更加平緩，在散熱器出口處，壓力也相對更穩(wěn)定。整個冷卻系統(tǒng)的壓力損失降低了[ΔP]MPa，這意味著冷卻水泵的負(fù)荷減輕，能耗降低，系統(tǒng)的運行效率得到提高。同時，得到優(yōu)化后發(fā)動機缸體和缸蓋的溫度分布云圖。從圖中可以看出，高溫區(qū)域顯著減少，發(fā)動機各部件的溫度更加均勻。在發(fā)動機缸體的氣缸工作區(qū)域，優(yōu)化前最高溫度可達(dá)[Y1]℃，優(yōu)化后降低至[Y2]℃。在缸蓋的燃燒室周圍，溫度也得到了有效控制，最高溫度從[Y3]℃降至[Y4]℃。缸體和缸蓋的溫度均勻性分別提高了[X5]%和[X6]%，這表明優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)能夠更有效地帶走發(fā)動機產(chǎn)生的熱量，避免局部過熱現(xiàn)象的發(fā)生，提高了發(fā)動機的可靠性和耐久性。綜合流場和溫度場的分析結(jié)果，優(yōu)化后的橫流冷卻系統(tǒng)在流速均勻性、壓力損失和溫度均勻性等方面都有顯著改善。這些結(jié)果表明，提出的優(yōu)化方案有效地提升了橫流冷卻系統(tǒng)的性能，達(dá)到了預(yù)期的優(yōu)化目標(biāo)。5.2試驗驗證5.2.1試驗方案設(shè)計為了驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性以及優(yōu)化方案的實際可行性，搭建了小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)試驗臺架。試驗選用與數(shù)值模擬相同型號的小型強化汽油機，該發(fā)動機在實際應(yīng)用中常用于小型農(nóng)業(yè)機械和園林設(shè)備，具有廣泛的市場需求。試驗設(shè)備方面，配備了高精度的測量儀器。采用電磁流量計來精確測量冷卻液的流量，其測量精度可達(dá)±0.5%，能夠準(zhǔn)確捕捉冷卻液流量在不同工況下的變化。使用鉑電阻溫度計測量冷卻液的溫度，精度為±0.1℃，確保能夠精確測量冷卻液在系統(tǒng)各部位的溫度。壓力傳感器則用于測量冷卻系統(tǒng)內(nèi)的壓力，精度為±0.01MPa，以獲取準(zhǔn)確的壓力數(shù)據(jù)。此外，還使用了轉(zhuǎn)速傳感器來監(jiān)測發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，確保試驗過程中發(fā)動機工況的穩(wěn)定性。在試驗工況設(shè)置上，模擬了發(fā)動機的多種實際運行工況。包括怠速工況，此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速設(shè)定為[X1]r/min，負(fù)荷較低，主要用于測試?yán)鋮s系統(tǒng)在低負(fù)荷狀態(tài)下的性能；額定工況，發(fā)動機轉(zhuǎn)速達(dá)到[X2]r/min，負(fù)荷為100%，這是發(fā)動機的典型工作狀態(tài)，用于評估冷卻系統(tǒng)在正常工作條件下的性能表現(xiàn)；以及高負(fù)荷工況，發(fā)動機轉(zhuǎn)速保持在[X2]r/min，負(fù)荷增加至120%，以檢驗冷卻系統(tǒng)在極端工作條件下的可靠性和穩(wěn)定性。在數(shù)據(jù)采集方面，在每個工況下，待發(fā)動機運行穩(wěn)定后，采集30組數(shù)據(jù)，取平均值作為該工況下的測量結(jié)果，以減小測量誤差，提高數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)據(jù)采集的時間間隔為10s，確保能夠捕捉到冷卻液流量、溫度和壓力等參數(shù)在不同時間點的變化情況。同時，對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和對比。5.2.2試驗結(jié)果與分析將試驗得到的冷卻液流量、溫度和壓力等數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。在怠速工況下，試驗測得的冷卻液流量為[Q1]L/min，數(shù)值模擬結(jié)果為[Q1']L/min，相對誤差為[X3]%。冷卻液溫度試驗值為[T1]℃，模擬值為[T1']℃，相對誤差為[X4]%。壓力試驗值為[P1]MPa，模擬值為[P1']MPa，相對誤差為[X5]%。在額定工況下，冷卻液流量試驗值為[Q2]L/min，模擬值為[Q2']L/min，相對誤差為[X6]%。冷卻液溫度試驗值為[T2]℃，模擬值為[T2']℃，相對誤差為[X7]%。壓力試驗值為[P2]MPa，模擬值為[P2']MPa，相對誤差為[X8]%。在高負(fù)荷工況下，冷卻液流量試驗值為[Q3]L/min，模擬值為[Q3']L/min，相對誤差為[X9]%。冷卻液溫度試驗值為[T3]℃，模擬值為[T3']℃，相對誤差為[X10]%。壓力試驗值為[P3]MPa，模擬值為[P3']MPa，相對誤差為[X11]%。工況流量（L/min）溫度（℃）壓力（MPa）試驗值模擬值試驗值模擬值試驗值模擬值怠速[Q1][Q1'][T1][T1'][P1][P1']額定[Q2][Q2'][T2][T2'][P2][P2']高負(fù)荷[Q3][Q3'][T3][T3'][P3][P3']從對比結(jié)果可以看出，在不同工況下，試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的相對誤差均在可接受范圍內(nèi)，表明數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，所建立的數(shù)值模擬模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測橫流冷卻系統(tǒng)的性能。這為后續(xù)的冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和性能分析提供了可靠的依據(jù)。進(jìn)一步分析優(yōu)化前后冷卻系統(tǒng)的性能變化。優(yōu)化后，在額定工況下，冷卻系統(tǒng)的散熱效率從原來的[η1]%提高到了[η2]%，提升了[X12]個百分點。發(fā)動機缸體和缸蓋的最高溫度分別降低了[Y1]℃和[Y2]℃，有效改善了發(fā)動機的散熱狀況。冷卻系統(tǒng)的壓力損失從原來的[ΔP1]MPa降低到了[ΔP2]MPa，降低了[X13]MPa，減少了冷卻水泵的能耗，提高了冷卻系統(tǒng)的運行效率。綜合試驗結(jié)果和分析可知，通過數(shù)值模擬進(jìn)行的橫流冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計是可行的，優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)在散熱效率、溫度控制和壓力損失等方面都有顯著改善，能夠有效提升小型強化汽油機的性能和可靠性。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究圍繞小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)性能展開了深入的數(shù)值模擬及優(yōu)化研究，取得了一系列具有重要理論和實際應(yīng)用價值的成果。在數(shù)值模擬方面，成功建立了高精度的小型強化汽油機橫流冷卻系統(tǒng)三維模型。通過運用CFD軟件，對模型進(jìn)行了全面的數(shù)值模擬分析，詳細(xì)研究了冷卻液在系統(tǒng)內(nèi)的流動特性和溫度分布情況。模擬結(jié)果清晰地揭示了冷卻液在發(fā)動機水套和冷卻管道中的流速和壓力分布規(guī)律。在水套中，冷卻液流速存在明顯的不均勻性，靠近水泵出水口區(qū)域流速較高，而在水套的角落和狹窄部位流速較低，這可能導(dǎo)致局部散熱不良。冷卻管道的彎道和分支處也存在流速變化復(fù)雜和流量分配不均的問題，影響了冷卻系統(tǒng)的整體冷卻效果。在溫度場分析中，明確了發(fā)動機缸體和缸蓋的溫度分布情況，發(fā)現(xiàn)氣缸工作區(qū)域和燃燒室周圍等部位溫度較高，而水套附近溫