发动机缸头冷却水流场试验研究

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发动机冷却水量的多少及发动机冷却水的分布直接影响到发动机的经济性与机器的正常运行。如果冷却水量过多，虽然可以使气缸头及有关零部件得到足够的冷却，但却增加了冷却水泵的功率损耗，同时使冷却水带走了额外的可利用能，影响发动机的经济性，且冷却过度也会影响润滑油的特性，不利于发动机的正常运行；如果冷却水量过少，则冷却水温过高，冷却水掠过冷却水腔侧的水流速度过小，使气缸头及有关零部件得不到足够的冷却，影响它们的使用寿命-所以，寻求适当的冷却水量及合理的流场分布成为发动机研究开发中不可缺少的重要一环，避免因冷却水流量不足或分布不当，造成局部热应力过高，导致零件过早损坏。

本文用二维激光多普勒测速仪（ldv）对发动机缸头冷却水进行了测量。ldv是通过激光束照射跟随流体一起流动的散射粒子，测出散射光的多普勒频率数，测量流体流速的非接触式测速仪-如所示，同一激光束分为两束光，用透镜使两束光汇聚于一点在光交叉区域（即测速区域）形成间距为w的干涉条纹，条纹间距w由激光波长x和两束激光的夹角0来确定，即w=（入/2）sin（0因此，当散射粒子以速度v通过测速区域时，与干涉条纹的明暗相对应的散射光的强度周期性地变化，这种散射光强度周期性变化的频率数和多普勒频率数等价，通过测量多普勒频率数即可求得流速1测试设备试验装置如所示，由气缸体、气缸头、水箱电动机及测试仪器构成。由于发动机缸头是金属铸造的，不透明，无法对冷却水流场进行直接测量，故把冷却水腔最上面一层金属壁小心切掉，露出冷却水腔，然后用透明有机玻璃密封。测量在发动机额定转速下进行，对应的冷却水泵转速为4245r/min.冷却水的流量135.31l/min.用激光对气缸头冷却水水平方向的流动速度进行了二维测量，计算机对测量结果自动进行处理，试验对气缸头中6个水平面中的速度进行了测试，为测量截面的位置。中最上面一个面位于离顶部切断面7mm处，别的面随着序号依此变深。示出了缸头水腔中某一代表性横断截面中冷却水流动路径的分布。

2测结果及分析2.1测量结果35测量平面水平方向的速度测量结果，为冷却水腔中某一垂直方向（对应于断面1点水！速度大小随深度的变化e由图可知：位于下游端的气缸对应的冷却水流速快；排气侧的流速比进气侧的快；垂直方向的流速分布变化比较缓慢。

2.2结果分析气缸头中的冷却水从第四缸流向第一缸，然后冷却水流回冷却水箱。气缸头中的冷却水流动当然是三维的，冷却水从缸体进入缸头，到达上壁面的垂直流动最终都变成了水平方向的流动，并从第一缸流出，因此，若仔细地测量水平面内的速度，就可以把握缸头中冷却水流动的主要特征。另一方面，冷却水流动几乎都是湍流，激光测得的流速是一定时间内的平均值。一般认为，与层流相比，湍流使速度边界层变薄，对气缸头的冷却具有良好影响。由可以看出，从总体上看，水平面内冷却水的流动速度从第四缸到第一缸逐渐增大，下游的第一缸不仅接受来自缸体的冷却水，而且接受来自上游的冷却水。因此，下游的气缸头比上游气缸头得到更好冷却。

排气侧的冷却面积和水流速度比吸气侧要大。因为排气阀和排气道的热负荷比吸气侧要高，这是需要特别注意的。冷却水箱来的水经冷却水泵进入缸体，首先对气缸体进行冷却，接着进入气缸头的进排气侧。如所示，气缸体来的水分五部分向下游流去：①流过排气道和燃烧室之间的冷却水道；②进排气阀之间的冷却水道；③进气道和燃烧室之间的冷却水道；④试验柴油机为四气阀顶置式结构，冷却水流过喷油周围的冷却水道；⑤排气道上方冷却水道，以上序号对应中的数字标号。考虑以上因素，垂直方向的大部分冷却水流过靠近燃烧室的气缸头底部，且水平方向较多的冷却水流过排气一侧。这样能很好地对热负荷高的区域进行冷却。

从流动角度看，冷却水上游的气缸对应的气缸头部分的冷却条件比下游气缸对应的气缸头部分的冷却条件来得严峻，必须对气缸头上游部分的冷却水流动进行合理的分布，并保证足够的冷却水量。下游的气缸头部分与上游的水路形状相同，冷却效果当然较好。从垂直方向速度分布来看，越往下面，流速有变小趋势，但是变化比较缓慢，并且靠近底面，流速又有增大趋势，这一点由可见。这表明垂直方向的流速分布情况良好，冷却水以较大的速度流过气缸头冷却水腔底部。燃烧室的顶部和排气道的周围得到了很好的冷却。若下部区域的冷却水流速与上中部区域相比过小，则说明下部区域的流动阻力过大，使冷却水过多地从上中部流过，那将不利于气缸头的冷却。另外，第四缸对应的气缸头封闭端冷却水腔流动比较特别，那里空间特别狭窄，冷却水垂直方向的流动比较明显。

3结论在气缸头冷却腔中，没有发现冷却水的流动死区。

垂直方向大部分的冷却水靠近燃烧室的上面、从气缸头底部流过，并且水平方向较多的冷却水流过排气侧，热负荷高的地方得到较好冷却。

从上部到下部流速逐渐呈减小趋势，不过变化比较平缓，靠近冷却水腔底部时，流速有所增大，有利于缸头和燃烧室之间进行热交换，垂直方向的冷却水分布是合理的。

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