利用flowmaster进行散热冷却的模拟分析报告Word文档格式.docx
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低温系统中的冷却水经由水泵压出，进入增压空气中间冷却器低温级换热器CH2，吸热后温度上升，再流入润滑油冷却器LH1，温度再次升高，而后流入低温淡水换热器FH2进行换热，释放热量，温度降低，又回到低温淡水泵FP2，再次被加压压入增压空气中间冷却器低温级CH2。
对于海水系统，为一开式系统。
海水经由海水阀ST1后，被吸入系统，经过滤器SF1后，被海水泵SP1加压，依次压入低温淡水换热器FH2与高温淡水换热器FH1，然后再流回大海。
表2-1冷却系统设备名称
编号
设备名称
CH1
空气冷却器高温部分
FT2
膨胀水箱（低温）
CH2
空气冷却器低温部分
SF1
海水过滤器
CR1
增压空气温度控制阀
SP1
海水泵
CR3
增压空气温度控制阀用传感器
SP2
海水备用泵
FH1
淡水冷却器（高温）
ST1
海水阀
FH2
淡水冷却器（低温）
TC1
增压器
FH3
淡水预热器
LH1
滑油冷却器
FP1
淡水泵（高温）
PI
压力表
FP2
淡水泵（低温）
PSL
压力低开关
FP5
淡水备用泵（高温）
PT
压力传感器
FP6
淡水备用泵（低温）
TI
温度表
FP7
预热泵
TSH
温度高开关
FR1
温度控制阀（高温）
TT
温度传感器
FR2
温度控制阀（低温）
LI
液位计
FT1
膨胀水箱（高温）
LSL
液位低开关
3．冷却系统模型
3．1Flowmaster建模过程
3．1．1建模的原则
（1）所建模型要能够真实地反映出实际系统的特点和行为；
（2）根据部件类型，在元件库中选择最合适的部件来建立模型，且部件要全，不能遗漏；
（3）所建模型中的部件要与实际系统中的部件一一对应；
（4）对系统影响较小的部件，如一些弯头的流动阻力对系统压力的影响，管道的散热对系统温度的影响等，可以进行适当的简化，关键部件和对系统影响较大的部件不可进行简化；
（5）各元件的参数要与系统中各部件的参数一一对应，且要全面；
（6）各元件的参数要能准确反映系统中相应部件的几何特征与性能表现；
（7）环境设置要准确；
（8）分析类型要与系统的行为相一致；
（9）为保证计算的精度和计算时间、计算数据量，可以适当修改收敛因子、输出数据等；
3．1．2复杂系统的建模
对于某发动机的冷却系统，部件很多，结构较复杂。
通常我们对于复杂的系统，进行分块建模。
因此，在某发动机的冷却系统建模过程中，将整个系统拆分为以下几部分：
（一）高温淡水系统
（二）低温淡水系统
（三）海水系统
3．1．3建模、分析过程
根据冷却系统原理图与实物图，了解系统的工作原理、构成；
对于实际系统中的部件，要考察在Flowmaster中是否都有对应的部件，若无对应元件，考虑如何进行合理简化或自定义元件；
在Flowmaster软件中选择相应的元件，并按工作原理将其依次连接；
根据建立的模型，列出分析所需要的参数，并收集这些参数；
将参数输入到软件中，并作认真核对检查，设置合理的分析类型及分析条件，进行仿真；
对仿真结果进行分析。
如有不合理之处，分析原因，并作适当调整。
根据冷却原理图及相关图纸、图片，在Flowmaster软件中搭建冷却系统网络模型，如图3-1和图3-2所示。
其中相关设备的名称见表2-1。
表3-1Flowmaster冷却系统元件名称
图3-1机体冷却水套模型
图3-1为机体水套冷却模型，发动机各缸单独通水，机体两侧各有一根汇水总管，对各缸的冷却水进行分配与汇集，各汇水总管通过三通元件，将冷却水分配至各缸。
各缸冷却热，一部分通过机体表面散失，一部分通过冷却水套进行对流换热。
在建模时，以heatflowsource元件代表各缸冷却热，通过机体内的固体结构solidbar元件，传至机体表面进行对流convection与辐射换热radiation，另外，以质点元件masspoint来代表机体的热容，冷却热中另一部分通过solidbar传给thermalbridge元件，与冷却水进行换热。
冷却水在流经各缸水套时，既有换热又有流阻，因此，在建模时以DL元件代表流动损失，以thermalbridge元件代表换热；
其中各缸编号如图3-1所示。
图3-2机外部件模型
图3-2为机体外部设备冷却模型，最外层的循环是与发动机直接进行换热的高温回路；
内层的循环为低温回路；
右侧纵向管路为海水支路冷却系统；
另外，模型中还有增压空气支路与滑油支路。
增压空气支路与海水支路将高温回路与低温回路串在了一起。
建模过程中，以实际部件的连接顺序进行连接，例如，对于高温回路，冷却水出机后先后通过管道、调温阀、高温淡水换热器、管道水泵、增压空气中间冷却器高温级，然后再进入机内。
在整个系统中，有些管段中既有直管，又有弯头，在建模中采用了简化的方法，将直管段长度相加，将弯头的流动损失相加，以DL元件代替，在管段非重点分析对象时，这种简化方法是非常适宜的。
同理，对于低温回路及海水支路采用相同的方法进行建模。
图3-3Flowmaster冷却系统模型
3．2理论基础
Flowmaster元器件库中提供了丰富的元件，并在帮助文档里附有的详细数学模型，可供工程师查阅，公开的数学方程也为工程师进行二次开发提供了便利。
通过这些数学模型，Flowmaster不仅可以描述具体的真实部件，而且可以对特性相同的新元件进行开发。
而对于整个流体系统，须满足以下方程。
3．2．1流动阻力方程
（3.2-1）
式中
p1、p2——分别为元器件进、出口的压力，bar；
ξ——元器件的沿流动方向的流动损失系数，即1、2流通时的损失系数；
ρ——流体的密度，kg/m3；
u——流速，m/s；
3．2．2质量守恒方程
（3.2-2）
u1、u2——流速，m/s；
A1、A2——元器件边界处的面积，m2；
上式的含义为：
系统中各处的流量相等。
3．2．3压力损失方程
（3.2-3）
下标1、2分别表示上、下游的位置；
p——静压力，Pa；
——动压力，Pa；
z——该位置中心处的标高，m；
流体流经元器件的压力损失等于进、出口的全压（静压力+动压力）差与高度差压头的和。
此方程可以对系统中任意两处位置进行分析。
3．2．4换热方程
（3.2-4）
T2——元件出口的温度，℃；
T1——元件进口的温度，℃；
Q——在该元件处流体吸热/放热的功率，kW；
m——流体的质量流量，kg/s；
cp——流体的定压比热，kJ/kgK。
元器件进出口的温差等于流体在该元件处的换热量除以流体的质量流量与定压比热的商，即遵循能量守恒原则。
Flowmaster模型完全可以对流动、压力、传质传热等物理现象进行比较准确的建模。
基于相同的数学模型，可以方便地通过Flowmaster通用模型参数对新元件进行描述，使得Flowmaster的应用范围不仅仅局限于元件库中的元件。
另外，Flowmaster的二次开发功能为工程师提供了一个简单而强大的模型描述手段，仅通过几个方程，便可以描述满足工程师要求的模型。
3．2．5整体求解
Flowmaster的求解是基于矩阵求解来对整个模型进行求解的。
如图3-4所示，为某一简单网络示意图。
图3-4简单网络模型
对于模型中的每个元件都可以建立线性方程，如下：
元件1：
元件2：
元件3：
通过以上各元件的流量方程，可以对各个节点建立质量守恒方程：
节点1：
节点2：
节点3：
节点4：
对于各节点的质量方程，可以统一用一个矩阵的形式来表示，如下：
对于图3-4中的网络模型，其分析矩阵为：
其中，矩阵中的各系数由相应元件的参数决定。
在对整个网络系统模型进行求解时，会采用设置的初始流量进行求解，当完成第一次求解后，得到了各节点的压力，而后再通过压力可以求得一个新的流量，因此，矩阵中的各系数会被修改，需要再次求解。
对于整个网络模型的求解过程，就是通过这样的往复迭代过程实现的，直到所有结果都达到预先设定的残差时，迭代中止，计算完成。
3．3建模过程
冷却系统分析是Flowmaster在发动机应用中最成熟的一个方面，现在Flowmaster已被众多发动机厂商所采用。
此发动机冷却系统中部件较多，较为复杂，按元件类型或局部构件可以分为以下几类：
（1）发动机本体；
（2）温度控制阀；
（3）水泵；
（4）散热器；
（5）水箱；
（6）管道、弯头、三通等局部构件；
（7）阀门、节流孔等局部构件；
（8）过滤器；
（9）边界条件；
下面对各模型进行详细的描述。
3．3．1发动机本体的建模
发动机冷却水套是最为复杂的部件。
机体与气缸盖在空间上是不对称的，这样就使得模型简化非常困难。
对于发动机本体的冷却水套模拟，通常采用的是三维CFD模拟，但它仅仅是模拟发动机内部，而对于外部的水泵、换热器、温度控制阀等无法精确模拟。
此种情况下，采用一维流体系统分析软件Flowmaster与CFD软件联合仿真的方法来精确模拟发动机冷却系统，是一种最好的方法。
在一维流体系统的仿真中，Flowmaster对发动机本体的模拟采取的是换热与流动损失分别计算的方式，即通过流动损失元件来代表发动机冷却水套的流动阻力，用换热元件来模拟发动机水套与冷却水之间的换热。
对于复杂的发动机冷却水套的换热及流动过程，可以通过几种不同的方法来模拟。
如图3-5所示，为某车用发动机冷却水套的三种建模方法。
图3-5某车用发动机冷却水套模型
根据不同的要求，可以建立不同的模型。
若机外部件是关注的重点，那么可以建立图3-5中左侧所示的模型；
若要对水套内不同位置的温度及流量分布，那么可以建立图3-5中右侧所示的精细模型。
在某冷却系统分析中，采用的是较为简化的模型，如图3-6所示。
图3-6Flowmaster发动机模型
图3-6中左侧元件1表示的是发动机燃料燃烧产生的热量中，除去有效功、机械损失功和排气余热外的热量，即发动机机体散失的热量与传给冷却水套的热量；
元件2、3表示的是发动机内部的固体结构，元件2表示的是气缸至冷却水套的机体部分，元件3表示的是气缸至发动机表面的机体部分；
元件4表示的是发动机机体与空气的对流换热；
元件5表示的是发动机机体与空气的辐射换热；
元件6用来表示发动机机体的质量；
元件7表示的是水套对冷却水流动的阻力；
元件8表示的是气缸盖、冷却水套的固体壁面与冷却水之间的换热。
发动机的总热量的分配情况，可表示为
QT=QE+QS+QR+QB+QL（3.3-1）
式中：
QT－燃料完全燃烧放出的总热量；
QE－转化为有效功的热量；
汽油机20%-30%，柴油机30%-40%
QS－传给冷却介质的热量；
汽油机25%-30%，柴油机20%-25%
QR－废气带走的热量；
汽油机40%-45%，柴油机35%-40%
QB－不完全燃烧的热量损失；
QL－其它损失；
汽油机8%，柴油机10%。
减少各种能量损失，即可提高发动机的效率。
冷却热损失Qs是柴油机各项热损失中所含热量较大但可利用程度较差的；
而目前在船用柴油机中废热利用最好的是排气热损失。
下面对模型中的元件进行详细描述。
HeatFlowSource/热源元件：
在此模型中，它代表的是燃料完全燃烧放出的总热量中除去有效功、机械损失功、不完全燃烧热和排气余热外的热量，即发动机机体散失的热量与传给冷却水套的热量。
此元件作为边界条件元件使用。
参数设置：
HeatFlowRate/热功率：
必填参数。
可以是常数（稳态分析），也可以是随时间变化的量（瞬态分析）。
SolidBar/固体导热棒：
该元件代表了固体内部的导热情况，将实际物体简化为一固体导热棒，在导热棒内插入若干个节点，可表示其温度分布的非线性。
编号为2的导热棒表示的是气缸至冷却水套的机体部分；
编号为3的导热棒表示的是气缸至发动机表面的机体部分；
MaterialType/材料类型：
必选参数。
软件会根据材料类型自动设置导热系数，比热等参数。
材料类型也可自定义。
Length/长度：
两换热位置间的距离，对于复杂的机体，近似取平均值。
CrossSectionArea/截面积：
Perimeter/周长：
选填参数。
用于自身与外界的换热计算。
HeatTransferCoefficient/传热系数：
可以为常数（用于稳态分析和瞬态分析），也可以是温度的函数（主要用于瞬态分析）。
SurfaceEmission/表面发射率：
可为常数（用于稳态分析和瞬态分析），也可以是温度的函数（主要用于瞬态分析）。
LocalAmbientTemperature/环境温度：
周长、传热系数、表面发射率与环境温度是用来考虑元件本身的热损失。
计算公式：
（3.3-2）
q——单位时间内的导热量，W；
k——导热系数，W/m·
K；
L——导热棒的长度，m；
A——沿热量传递方向的截面积，m2；
T1、T2——沿传热方向下游与上游节点的温度，K；
ConvectionSolid/固体对流：
用来表示发动机机体与空气的对流换热。
TotalSurfaceArea/表面积：
ConvectionHeatTransferCoefficient/对流换热系数：
（3.3-3）
qc——单位时间内的对流换热量，W；
hc——平均对流换热系数，W/m2·
A——换热面积，m2；
ΔT——固体壁面与流体的温度差，K。
RadiationSolid/固体热辐射：
表示发动机机体与周围环境的辐射换热。
（3.3-4）
qr——单位时间内的平均辐射换热量，W；
ε——固体表面辐射率，常用材料的发射率见附录一；
——史蒂芬-玻耳兹曼常数，5.67e-8W/m2·
K4;
A——辐射换热表面积，m2；
T1与T2分别为固体壁面温度与环境温度，K；
PointMass/质点：
用来表示发动机机体中换热部分的质量。
此处，作为边界条件元件使用。
Mass/质量：
发动机的质量。
InitialTemperature/初始温度：
主要用于发动机的瞬态模拟，根据发动机体的温升，计算本身的热容量。
DiscreteLoss/离散损失：
可用来表示任意的流动损失部件，在此用来表示冷却水在冷却水套中流动时的损失。
Area/面积：
平均过流面积。
Forward/reverseFlowLossCoefficient/正/反向流动损失系数：
也可以以ΔP-Q、ΔP-v、损失系数随雷诺数的曲线形式给出。
选填其中之一即可，但对于曲线数据，需大量实验或CFD仿真数据。
（3.3-5）
ΔP——流过部件的压力损失，bar；
K——流动损失系数；
v——流速，m/s；
ThermalBridge/热桥：
用于计算热源与冷却介质之间换热的部件。
在此用来表示发动机工作过程中传给冷却水的热量。
FlowArea/过流面积：
LossCoefficient/损失系数：
流动损失系数，可以为常数，也可以是压力降随流量的变化曲线、损失系数随雷诺数的变化曲线；
对于冷却水套，流动阻力主要通过DL元件来指定，而非热桥元件。
对于非稳态仿真，建议采用曲线数据，但需大量实验或CFD仿真数据支持；
ContactArea/接触面积：
发动机体与冷却水接触的换热面积；
HydraulicDiameter/水力直径：
过流断面的水力直径；
换热设置：
（1）UseDittusBoelter/以DittusBoelter方法指定换热系数：
选填参数，选择此方法时，要指定方程中的a、b、c三个常数。
方程如下：
（3.3-6）
此方程即为方程
的扩展。
通过另一个求解Nu的方程，即可求解得到换热系数：
（3.3-7）
h——换热系数，W/m2K；
dhyd——水力直径，m；
k——导热系数，由流体材料的属性决定，W/mK。
（2）HeatTransferCoefficient/传热系数：
可以为常数（用于稳态分析和瞬态分析），也可以是雷诺数的函数（主要用于瞬态分析）。
（3）HeatTransferCoefficientvRe/传热系数随雷诺数的变化曲线；
（4）NusseltvRe&
Pr/努塞尔特数随雷诺数、普朗特数的变化曲面。
（5）通过控件来指定换热系数。
以上选项中，任选一种即可。
对于曲线、曲面设置，需大量的实验数据或CFD仿真数据。
（3.3-8）
Q——换热量，W；
cp——流体的比热容，W/kg·
——质量流量，kg/s；
Δt——流体流过部件的温度变化，K；
T——流体温度，℃；
Ts——固体壁面温度，℃；
A——接触面积，m2。
在式（3.3-8）右式中，通过流体温度、固体壁面温度、接触面积，以及通过参数指定的换热系数，即可求得换热量，再通过左式中的关系式，得到流体的温度变化。
3．3．2温度控制阀的建模
温度控制调节阀通常安装在发动机冷却水出口处，用于控制发动机的工作温度。
在FlowmasterV6.5中，根据温度控制阀的原理，进行详细建模，如图3-7所示。
温控阀的工作原理是：
连接在发动机的冷却水出口处（图3-7中节点1），冷却水进入温控阀后，可以经过两条不同的支路流回冷却水泵。
一条是散热器支路（图3-7中节点3），发动机正常运转时，此支路的流量较大；
另一条支路是旁通支路，即小循环（图3-7中节点2），在发动机起动时，机体温度尚未达到工作温度前，此支路的流量较大。
在发动机冷起动过程中，冷却水不经过散热器换热，而直接从小循环返回冷却水泵，从而使发动机能更快地达到合适的工作温度。
当达到工作温度后，小循环支路的阀门开度减小，流量也会随之减小，而换热器支路的阀门开度增大，流量亦增大，两条支路的冷却水在进入循环水泵前混合，保持恒定温度。
在发动机的变工况情况下，温控阀能够实现两条支路流量的自动调节，从而使发动机始终工作在最适宜的温度下。
图3-8为某发动机的温度控制阀的行为与温度的关系。
图3-7温度控制调节阀模型图3-8温控阀行为
Valve:
Globe/截止阀：
通用标准部件。
通过调节开度，可以控制管路的流量。
其性能曲线，如压损性能曲线已嵌入其中。
Diameter/公称直径：
Position/位置开度：
LossCoefficientvPos
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