1．1 仿真目的 .............................................................................................. 3 1．2 系统概述 .............................................................................................. 3 1．3 仿真要求 .............................................................................................. 3 2．冷却系统原理 .................................................................................................. 4 3．冷却系统模型 .................................................................................................. 6
3．1 Flowmaster建模过程 ........................................................................... 6
3．1．1 建模的原则 ............................................................................ 6 3．1．2 复杂系统的建模 .................................................................... 6 3．1．3 建模、分析过程 .................................................................... 6 3．2 理论基础 ............................................................................................ 10
3．2．1 流动阻力方程 ...................................................................... 10 3．2．2 质量守恒方程 ...................................................................... 10 3．2．3 压力损失方程 ...................................................................... 10 3．2．4 换热方程 .............................................................................. 11 3．2．5 整体求解 .............................................................................. 11 3．3 建模过程 ............................................................................................ 12
3．3．1 发动机本体的建模 .............................................................. 13 3．3．2 温度控制阀的建模 .............................................................. 17 3．3．3 水泵的建模 .......................................................................... 19 3．3．4 换热器的建模 ...................................................................... 21 3．3．5 水箱的建模 .......................................................................... 23 3．3．6 管道、弯头、三通等部件的建模 ...................................... 25 3．3．7 阀门的建模 .......................................................................... 27 3．3．8 过滤器的建模 ...................................................................... 28 3．3．9 边界条件的处理 .................................................................. 28 3．4 主要参数 ............................................................................................ 29 4．分析结果 ........................................................................................................ 31
4．1 压力分布 ............................................................................................ 31 4．2 流量分布 ............................................................................................ 33 4．3 温度分布 ............................................................................................ 35 4．4 与实验结果对比 ................................................................................ 38 4．5 需进一步展开的工作 ........................................................................ 39 5．结论 ................................................................................................................ 40 附录一 常用材料的发射率 .............................................................................. 41 附录二 元件参数 .............................................................................................. 42
1． 发动机水套参数 .................................................................................. 42 2． 水泵参数 .............................................................................................. 43 3． 换热器参数 .......................................................................................... 43 4． 阀门（含温控阀）参数 ...................................................................... 44 5． 管道参数 .............................................................................................. 44 6． 损失元件参数 ...................................................................................... 45 7． 边界条件参数 ...................................................................................... 47 附录二 仿真结果 ................................................................................................ 48
1．冷却系统压力分布 ................................................................................ 48 2．冷却系统温度分布 ................................................................................ 50 3．冷却系统流量分布 ................................................................................ 51
1．概述
1．1 仿真目的
针对某发动机，采用Flowmaster软件进行冷却系统的仿真计算，得出系统热负荷情况，详细分析整个冷却系统中压力、流量及温度的分布情况，从而为冷却系统的优化设计提供理论依据。
1．2 系统概述
某柴油机为中型船舶用推进动力发动机，直列6缸，功率约2500kW。
1．3 仿真要求
利用Flowmaster仿真软件，建立6缸柴油机冷却系统的仿真模型，模型应能够满足对整个流体系统进行分析的要求；
根据提供的柴油机运行工况和其他必要的参数，利用Flowmaster对一款柴油机冷却系统进行仿真分析，并对冷却系统的流量分配及压力、温度分布等进行分析和评估；
提交柴油机冷却系统的仿真分析流程和元件模型特点和应用方法、模型选择和组合应用的基本原则及仿真分析过程参数设置的方法等说明文档；
提供柴油机冷却系统瞬态分析建模和参数分析方法，以及一维、三维和多学科优化软件的耦合分析的方法说明，并提供一个应用示例；
仿真分析软件采用Flowmaster V6.5版本；
提交的仿真分析等报告的格式和内容需满足甲方的要求。
2．冷却系统原理
发动机的冷却系统对发动机平稳工作非常重要，冷却系统可以保证缸头和机体的温度维持在一定范围内，一旦温度过高，可能会导致拉缸，同理，如果温度过低，会使润滑油粘度增加，发动机运动构件的摩擦阻力增加，发动机有效功降低。只有温度在一个比较合适的范围内时，发动机才能平稳地、高效地运行。
不同的发动机，冷却系统的构成可能会有所不同，但基本原理是相同的，冷却系统的基本工作原理为：冷却水泵将循环冷却水压入发动机内，冷却水经过发动机冷却水套，吸收热量，温度上升，然后冷却水流出机体，进入换热器，与另一路流体在此进行热交换，温度降低，流回冷却水泵，再次被压入发动机水套。冷却水就是这样不断地循环，不断地进行吸热、放热的过程，使发动机维持恒定温度的。要使发动机工作在合适的温度下，必须对冷却水在机体外部的散热量进行控制，因此，在发动机出口设置温度控制调节阀。它的入口只有一个通道，而出口有两个通道，出口的一个通道通往换热器，称为大循环；另一路通道则不经过换热器，而是直接通往冷却水泵入口，称为小循环。温度控制调节阀通过调节流过两条支路的流量，来保证水泵入口的温度，从而使发动机维持在工作温度。
由于船舶一直行驶在水中，因此对于船舶发动机冷却系统来说，利用外部水源非常方便。但是，外部水源的水质不满足发动机冷却水水质的要求，所以，船舶发动机的冷却系统设置成多级冷却。如图2-1所示，为某六缸发动机的冷却系统原理图。整个冷却系统分为高温回路、低温回路与海水支路三个系统。其中高温淡水与低温淡水系统为闭式循环，而海水系统为开式系统。
图2-1 冷却系统原理图
注：图中粗实线为柴油机内部管道系统测量装置；细实线为动力装置管系；点划线为海水管系。表2-1为冷却系统原理图中相应部件的名称。
直接与发动机换热的冷却水称为高温系统。高温系统中，气缸两侧分别有进、出水总管，总管连接，冷却水能够通了各气缸水套过总管分别进入各缸进行换热。冷却水流出发动机后经温控阀FR1后，一部分经小循环流回循环水泵入口，一部分经过高温淡水换热器FH1，再流至循环水泵入口，两部分水进入循环水泵前混合，经循环水泵后，被压入增压空气中间冷却器高温级换热器CH1，吸收增压空气的热量后，进入发动机冷却水套中。
不直接与发动机水套进行换热的淡水系统称为低温系统。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 CH1 设备名称 空气冷却器高温部分 编号 FT2 设备名称 膨胀水箱(低温) CH2 CR1 CR3 FH1 FH2 FH3 FP1 FP2 FP5 FP6 FP7 FR1 FR2 FT1 空气冷却器低温部分 增压空气温度控制阀 增压空气温度控制阀用传感器 淡水冷却器(高温) 淡水冷却器(低温) 淡水预热器 淡水泵(高温) 淡水泵(低温) 淡水备用泵(高温) 淡水备用泵(低温) 预热泵 温度控制阀(高温) 温度控制阀(低温) 膨胀水箱(高温) SF1 SP1 SP2 ST1 TC1 LH1 PI PSL PT TI TSH TT LI LSL 海水过滤器 海水泵 海水备用泵 海水阀 增压器 滑油冷却器 压力表 压力低开关 压力传感器 温度表 温度高开关 温度传感器 液位计 液位低开关
3．冷却系统模型
3．1 Flowmaster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3-1 Flowmaster冷却系统元件名称 编号 CH1 CH2 FH1 FH2 FP1 FP2 设备名称 空气冷却器高温部分 空气冷却器低温部分 淡水冷却器(高温) 淡水冷却器(低温) 淡水泵(高温) 淡水泵(低温) 编号 FR1 FR2 FT1 FT2 SP1 LH1 设备名称 温度控制阀(高温) 温度控制阀(低温) 膨胀水箱(高温) 膨胀水箱(低温) 海水泵 滑油冷却器
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heat flow source元件代表各缸冷却热，通过机体内的固体结构solid bar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mass point来代表机体的热容，冷却热中另一部分通过solid bar传给thermal bridge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thermal bridge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3-3 Flowmaster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
p1p22u2 （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
QA1u1A2u2 （3.2-2）
式中
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
p(p1v122)(p2v222)g(z1z2) （3.2-3）
式中
下标1、2分别表示上、下游的位置； p——静压力，Pa；
v22——动压力，Pa；
z——该位置中心处的标高，m；
上式的含义为：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
T2T1Q （3.2-4） mcp式中
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。 上式的含义为：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3-6 Flowmaster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。
Heat Flow Source/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：
Heat Flow Rate/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）。
Solid Bar/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；
参数设置：
Material Type/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：必填参数。两换热位置间的距离，对于复杂的机体，近似取平均值。
Cross Section Area/截面积：必填参数。
Perimeter/周长：选填参数。用于自身与外界的换热计算。
Heat Transfer Coefficient/传热系数：选填参数。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）。
Surface Emission/表面发射率：选填参数。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）。
Local Ambient Temperature/环境温度：选填参数。
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：
kqA(T2T1)L （3.3-2）
式中
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；
Convection Solid/固体对流：用来表示发动机机体与空气的对流换热。
参数设置：
Total Surface Area/表面积：必填参数。
Convection Heat Transfer Coefficient/对流换热系数：必填参数。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）。
Local Ambient Temperature/环境温度：必填参数。 计算公式：
qchcAT （3.3-3）
式中
qc——单位时间内的对流换热量，W； hc——平均对流换热系数，W/m2·K； A——换热面积，m2；
ΔT——固体壁面与流体的温度差，K。
Radiation Solid/固体热辐射：表示发动机机体与周围环境的辐射换热。 参数设置：
Total Surface Area/表面积：必填参数。
Surface Emission/表面发射率：必填参数。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）。
Local Ambient Temperature/环境温度：必填参数。
计算公式：
qrA(T14T24) （3.3-4）
式中
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；
Point Mass/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。
参数设置：
Material Type/材料类型：必选参数。 Mass/质量：必填参数。发动机的质量。
Initial Temperature/初始温度：选填参数。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。
Discrete Loss/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。
参数设置：
Area/面积：必填参数。平均过流面积。
Forward/reverse Flow Loss Coefficient/正/反向流动损失系数：必填参数。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。
计算公式：
pK2v2 （3.3-5）
式中
ΔP——流过部件的压力损失，bar； K——流动损失系数；
ρ——流体的密度，kg/m3； v——流速，m/s；
Thermal Bridge/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。
参数设置：
Flow Area/过流面积：必填参数。
Loss Coefficient/损失系数：必填参数。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；
Contact Area/接触面积：必填参数。发动机体与冷却水接触的换热面积； Hydraulic Diameter/水力直径：必填参数。过流断面的水力直径； 换热设置：（1）Use Dittus Boelter/以Dittus Boelter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：
NuaRebPrc （3.3-6）
此方程即为方程Nu0.23Re0.8Pr0.4的扩展。通过另一个求解Nu的方程，即可求解得到换热系数：
Nuhdhyd/k
（3.3-7）
式中
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）Heat Transfer Coefficient/传热系数：选填参数。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）Heat Transfer Coefficient v Re/传热系数随雷诺数的变化曲线； （4）Nusselt v Re & 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。
计算公式：
thTTsAQcpm
（3.3-8）
式中
Q——换热量，W；
cp——流体的比热容，W/kg·K； ——质量流量，kg/s； mΔt——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Flowmaster V6.5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。
参数设置：
Diameter/公称直径：必填参数。 Position/位置开度：必填参数。
Loss Coefficient v Position/流动损失系数随开度的变化：必填参数。此数据以曲线形式定义，有参考数据，为英国流体力学中心实验数据。对于不同类型的阀门，损失系数与阀门开度的关系是不同的，因此，需要根据实际阀门选择合适的阀门元件，甚至需要重新定义这些数据。对于标准阀门，采用默认数据即可。
计算公式：
与式（3.3-5）相同。
Correction for Re<10000/层流修正：选填参数。以曲线形式给出，有参考数据，为英国流体力学中心实验数据。对低雷诺数的层流状态下，要对阀门的损失系数进行修正，修正关系式如下：
KCREKv （3.3-9）
式中
CRE——修正系数，无量纲； Kv——阀门的损失系数；
Thermostat: valve/阀门温度控制：以温度为信号，控制阀门开度的部件。例如，对于高温回路调温阀，是以发动机出口温度作为信号，调节两支路的阀门开度，使流过换热器的冷却水量发生变化，让发动
机的冷却水温度维持在某一值附近。
参数设置：
Time Constant(mcp/UA)/时间常数：必填参数。通常温控阀是通过蜡类介质的相变来实现对温度的控制。此时间常数指的是冷却介质与蜡之间的传热延迟时间，其定义为冷却介质的传热量m·cp与蜡的吸热功率U·A之比。其中U为蜡侧的换热系数，A为蜡的换热面积。
Hysteresis Offset/温度延迟：必填参数。温控阀在开启和关闭过程的温度曲
线是平行的，但相差一定的温度，此温度差即为温控阀的温度延迟值。如图2-5所示。
Lift v Temperature(heating/Cooling)/温控阀升程随温度变化：必填参数。即通过温度来控制散热器支路阀门的开度。
Operational Variable: Feedback/阀门开度反馈控制器：通过系统中某个物理量作为信号，进行反馈，来控制阀门的开度。在温控阀
中，是以一条支路阀门的开度作为信号，来控制另一条支路的阀门开度的。
参数设置：
Input Op. Variable No./输入量序号：必填参数。即输入信号的类型，默认为阀门开度信号。
Output v Input Op. Variable/输出量随输入量的变化：必填参数。通过传感器测得大循环阀门的开度，通过关系曲线或关系方程，来控制小循环阀门的开度。通常两个阀门的开度为互补关系，即两者的开度之和为1。
3．3．3 水泵的建模
水泵种类较多，根据结构的不同，分为：齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、容积泵、液压泵等。通常叶片泵应用较多，比如离心泵，轴流泵等都属于叶片泵。
在冷却水流过系统中各部件时，都会有一定的压力损失，尤其在冷却水套内，压力损失非常大，因此，必须有一个外部加压装置提供动力，克服流动阻力。在发动机冷却系统中，循环水泵就起到了这个作用。在Flowmaster系统仿真中，泵族元件包括风机、泵与压缩机三种。对于泵来说，又分为叶片式水泵和定排量泵，对于叶片泵，包含三种，分别为径流泵（离心式）、混流泵和轴流泵，它们都可以用于冷却系统的仿真当中，它们的仿真当中都需要提供额定点的数据和Q-H曲线，只要这些数据与真实泵相符，就可以选择其中之一来进行仿真，通过Q-H曲线可以保证水泵在仿真过程中不同工况下的性能。
Pump: Radial Flow/径流泵：在Flowmaster中，提供了多种水泵，如轴流泵、离心泵、齿轮泵等。径流泵属于离心泵，它将流体沿着半径方向压出。
参数设置：
Rated Flow/额定流量：必填参数。 Rated Head/额定扬程：必填参数。 Rated Speed/额定转速：必填参数。 Rated Power/额定功率：选填参数。
Rated Efficiency/额定效率：选填参数。与额定功率选填其一。 Pump Inertia/泵的转动惯量：选填参数。（用于瞬态分析） Motor Inertia/马达转动惯量：选填参数。（用于瞬态分析）。当泵变工况工作时，由于惯性作用，转速达到某一数值需要一段时间，这两个转动惯量决定了这个时间的长短。
Speed Ratio/速度比：选填参数。由于传动方式的不同，马达的转速可能会与水泵叶轮的转速不一致，可以通过此参数与马达转速来决定叶轮的转速。
Friction Torque/摩擦转矩：选填参数。由于水泵叶轮及马达的轴受到摩擦阻力的作用，而产生与转动方向相反的力矩，当此力矩不可忽略时，需进行设置。
Initial Speed/泵的初始转速：选填参数。决定了泵的初始状态。
Suter Head Curve/扬程曲线：必填参数。提供有默认数据。通过输入水泵的Q-H测试数据或厂商提供数据，可以将其转换成Suter无量纲形式数据，因为它能够在水泵的不同工况下提供连续的曲线。当然，也可以直接输入Suter形式的数据。
Suter Torque Curve/扭矩曲线：必填参数。提供有默认数据。通过输入水泵的Q-T测试数据或厂商提供数据，可以将其转换成Suter无量纲形式数据。当然，也可以直接输入Suter形式的数据。
水泵曲线的转换公式如下：
Q*QQR （3.3-10） HHR （3.3-11）
H**R （3.3-12）
TTR （3.3-13）
T*H*WH*2Q*2 （3.3-14） T*WT*2Q*2 （3.3-15）
*tanQ* （3.3-16）
1其中
Q——水泵的流量，m3/s； H——水泵的扬程，m； ω——水泵转速，rpm； T——水泵扭矩，N·m。
上标*表示此量为无量纲参数，下标R表示此量为额定量；WH、WT分别表示Suter形式的H和T，而θ决定了水泵的运行特征。
水泵的计算公式为：
NSNQH3124 （3.3-17）
其中
N——水泵转速，rpm；
Q——最高效率点的流量，m3/s； H——最高效率点的扬程，m；
水泵的效率为：
其中
Tf——摩擦扭矩，Nm。
QHTTf （3.3-18）
3．3．4 换热器的建模
换热器的种类非常多，根据用途可分为：加热器、预热器、过热器、蒸发器、再沸器、深冷器、冷却器、冷凝器、全凝器等；根据换热方式分为：间壁式换热器、蓄热式换热器、流体连接间接式换热器、直接接触式换热器；根据结构可分为：（1）管壳换热器。如套管式、管壳式、沉浸式、喷淋式、翅片式。(2)板式换热器。如夹套式、平板式、板式、螺旋板式、翅片板式、板壳式。(3)新型材料换热器。石墨、聚四氟乙烯、玻璃钢、钛材、锆材换热器。(4)热管式换热器。多室回转式、离心式、重力热管式、离心热管式等。
常用的换热器都是两路流体间的换热，两路流体可以是相同类型，也可以是不同类型，它们分别从不同的入口进入，又从不同的出口流出，在换热器内部进行换热，使低温支路的流体温度升高，高温支路的流体温度下降。
Heat Exchanger: Radiator/换热器：在Flowmaster中，换热器部件分为加热器/冷凝器与流体/流体换热器。对于流体/流体换热器，其最终目的是根据两条支路的流体的入口压力和温度计算出出口的压力和温度，因此，换热形式在元件里未得到体现。 参数设置：
Loss Coefficient 1/支路1流动损失系数：必填参数。支路1指的是沿主箭头所指的流动方向的支路，元件图标中向上箭头。压力损失也可以以数据曲线的形式给出，提供两路流体的压力降随流量/流速的变化数据；也可提供流动损失系数随雷诺数的变化数据；
Pipe Area 1/支路1管截面积：必填参数。
Hydraulic Diameter 1/支路1管的水力直径：必填参数。可以将任意几何形状截面的管道统一设置为水力直径；
Loss Coefficient 2/支路2流动损失系数：必填参数。支路2指的是沿次箭头所指的流动方向的支路，元件图标中斜向箭头。与支路1流动损失系数相同，也可以按曲线形式提供；
Pipe Area 2/支路2管截面积：必填参数。
Hydraulic Diameter 2/支路2管的水力直径：必填参数。 Thermal Duty/换热负荷：选填参数。
Hot Stream Temperature Drop/热路流体温度降：选填参数。 Cold Stream Temperature Rise/冷路流体温度升：选填参数。 Thermal Effectiveness/热效率：选填参数。 “Hot” Side Area/热路的接触面积：选填参数。 “Air” Side Area/冷路的接触面积：选填参数。
Overall Heat Transfer Coefficient/全局换热系数：选填参数。
以上换热相关参数的设置中，可以选择设置热负荷、温度变化、热效率、换
热系数与接触面积，也可以以热负荷随流量的变化曲面、热效率随NTU数和比热比的变化曲面、Nu数随Re数的变化曲面、效率随流量的变化曲面等给出，选择其一即可，曲面优先采用，剩余四项无优先级之分。对于曲面数据，需大量的实验数据或CFD仿真数据。对于换热器设计，采用热负荷或热效率较佳。
计算公式：
流动阻力方程见式（3.3-5）； 换热方程如下：
(cpm)H(tito)HmH(P11P22)(cpm)C(tito)CmC(P33P44（3.3-19）
)式中
下标H与C分别代表热侧与冷侧；数字1-4分别代表换热器的四个接口； cp——流体的比热容，kJ/kg·K； ——流体的质量流量，kg/s； mti、t0——进、出口的温度，K； P——压力，bar； ρ——密度，kg/m3；
换热器的理论最大换热量为：
qmax(mcp)min(THiTCi) （3.3-20）
换热器的热效率为：
即
qactual （3.3-21） qmax(mcp)H(THiTHo)m(P11P22)(mcp)C(TCiTCo)m(qmaxP33P44 （3.3-22）
)qmax通过以上关系式，可以得到流体的出口温度：
THoTHiqactualqmaxTHi （3.3-23）
(mcp)H(mcp)HqactualqmaxTCi （3.3-24）
(mcp)C(mcp)CTCoTCi
通过指定热效率，可以计算得到各换热器的温度变化及热负荷情况。通常在不同工况下，热效率是变化的，因此，可以通过比热比以及传热单元数来进行变工况模拟。比热比与传热单元数的定义如下：
CCmin （3.3-25） Cmax当（mcp）H<(mcp)C时，Cmin=(mcp)H，Cmax=(mcp)C；
当（mcp）H>(mcp)C时，Cmin=(mcp)C，Cmax=(mcp)H；
NTUA2U （3.3-26） Cmin式中
A2——低温侧换热面积，m2； U——整体换热系数，W/m2K。
3．3．5 水箱的建模
水箱具有储存液体、定压的作用，从而保证系统的正常运行。在本冷却系统中，有两种水箱：定压水箱和膨胀水箱。
Reservoir: Constant-Head/定压水箱：保证系统中水箱连接处的压力恒定，即作为边界条件使用。
参数设置：
Pipe Diameter/连接管管径：必填参数。
Liquid Level Above Base/液面高度（相对于箱底）：必填参数。 Base Level Above Reference/箱底标高：必填参数。 Surface Pressure/液表压力：必填参数。 Liquid Type/流体类型：必选参数。
通过设置液面高度与箱底标高以及液表压力，就可以确定水箱连接处的压力，如下式所示：
Pg(hZ)Ps （3.3-27）
式中
P——定压点的压力，bar； ρ——流体的密度，kg/m3； g——重力加速度，9.8m/s2； h——水箱内液面高，m；
Z——箱底距基准面的高度，m； Ps——水箱表面的气相压力，bar；
Reservoir: Expansion/膨胀水箱：当系统中水温升高时，保证系统不会因水的体积膨胀而造成较高的压力或设备破坏；当系统中水温降低时，保证系统中不会发生缺水的现象。
参数设置：
Branch 1 Outflow Coefficient/管路1的反向流动损失系数：必填参数。 Branch 1 Inflow Coefficient/管路1的正向流动损失系数：必填参数。 Branch 1 Pipe Diameter/连接管1的管径：必填参数。
Branch 1 Height Above Base/管路2距箱底的高度：必填参数。
Branch 2 Outflow Coefficient/管路2的反向流动损失系数：必填参数。 Branch 2 Inflow Coefficient/管路2的正向流动损失系数：必填参数。 Branch 2 Pipe Diameter/连接管2的管径：必填参数。
Branch 2 Height Above Base/管路2距箱底的高度：必填参数。
Height of Top Above Base/水箱高度：必填参数。 Base Level Above Reference/箱底标高：必填参数。
Horizontal X-Section Area/水箱水平截面积：必填参数。可以是定值，也可以是随高度变化的，如水箱截面积随水箱高度的变化；或体积随高度的变化；通过曲线或方程的形式定义水箱截面积，可以达到定义任意形状水箱的目的。
Surface Pressure/液表压力：必填参数。
Initial Liquid Level /液面高度（相对于箱底）：必填参数。
Initial Temperature/初始温度：选填参数。可以为定值，也可以是受控的。用于换热分析。
Maximum Pressure/最高压力：选填参数。 Minimum Pressure/最低压力：选填参数。 Liquid Type/流体类型：必选参数。 计算公式： 液面高度h h>=h1 管路流量 —— Q1≤0 h
hi——水箱进、出管相对于箱底的标高，m； Qi——进、出口的流量，m3/s； Ki——进、出口的流动损失系数； ρi——进、出口的密度，kg/m3； Ai——进、出口管的截面积，m2； Pi——进、出口的压力，bar； mi——进、出口的质量流量，kg/s；
3．3．6 管道、弯头、三通等部件的建模
此冷却系统中管道、弯头非常多。若考察的重点不在弯头较多的管段，那么，为了便于分析，可以对其进行适当简化。对于某一弯头或三通等部件，其损失系数为常数，只与它的几何尺寸、表面情况有关，而与流过的流量、压力等无关。英国流体力学中心曾进行了超过10000小时的流体力学实验，Flowmaster公司将这些数据已嵌入到Flowmaster软件当中，因此，可以非常方便地通过测试得到弯头、管道、接头等部件的流动损失系数。只要将弯头、接头、三通等部件的管径、角度、弯转半径、粗糙度等参数设置齐全，就可以通过非常简单的测试得到它们的流动损失系数。如图3-10所示，可以用图中的DL离散损失元件来代替图3-9中的弯头元件。
图3-9 弯头损失系数测试
图3-10 损失元件代替弯头
对于同一段管路中的相同尺寸的元件，可以将损失系数进行累加。如：某一段管路中有三个弯头，每个弯头的损失系数为0.5，那么整段管中弯头的损失系数为0.5x3=1.5。可以通过将DL离散损失元件的损失系数设置为1.5来代替这三个弯头的压力损失。由于用一个元件代替了管段中的多个弯头的压力损失，因此，管段中的压力分布与详细的管段模型中的压力分布发生了改变，但是，管段两端的压力是相同的。如图3-9与图3-10所示。
管道、弯头、三通等部件是流体系统中的基本部件，在系统中广泛地使用，其特征参数也非常简单。
Pipe: Cylindrical/圆管。 参数设置：
Diameter/管径：必填参数。 Length/管长：必填参数。
Friction Data/摩擦阻力：必填参数。可以提供摩擦系数，也可以提供绝对粗糙度，软件会自动进行计算，得到摩擦系数。
计算公式：
PfL2vd2 （3.3-28）
式中
ΔP——管道进、出口的压力降，bar； f——达西摩擦系数； L——管长，m； d——管径，mm；
ρ——流体的密度，kg/m3； v——流动速度，m/s；
Bend: Smooth Circular/圆滑弯头：管网系统中常用的元件。 参数设置：
Deflection Angle/弯转角度：必填参数。范围10~180度。
Radius/Diameter/弯转半径与管径的比值：必填参数。 Roughness/绝对粗糙度：必填参数。 Diameter/管径：必填参数。 计算公式：
rdm22PPKv12Adt2 （3.3-29）
式中
r——弯头的弯转半径，mm； θ——弯头的弯转角度，deg； A——弯头的截面积，mm2； dm2dt——弯头出口质量流量变化率，kg/s2；
P1、P2——弯头进、出口的压力，bar； K——弯头的流动损失系数； ρ——流体的密度，kg/m3； v——流动速度，m/s；
对于弯头，其损失系数及在不同Re下的修正系数都有参考数据，为英国流体力学中心的实验数据。如有相关实验数据或CFD仿真数据，可对这些数据进
行修改。
Junction T/T形三通：用于连接不同方向的多条支路。三通分为T形与Y形，根据支管与总管的夹角又可以细分为：30°、45°、60°等，根据截面积情况可以分为等截面、不等截面。三通的局部阻力系
数只与其几何结构有关系，而与流量、压力无关，流体沿不同方向流动的局部阻力系数设有参考数据，为英国流体力学中心实验数据。
参数设置：
Through Pipe Diameter/直通管管径：必填参数。 Branch Pipe Diameter/支管管径：必填参数。
Angel Between Branch 1&2/支路1与支路2的夹角：必填参数。支管管径不能大于直管管径。
计算公式：
PiPjCREKij2v2 （3.3-30）
式中
下标i , j分别代表三通中不同管路方向的接点，i≠j； P——压力，bar；
CRE——雷诺数修正系数；
Kij——i流向j方向的流动损失系数； ρ——流体的密度，kg/m3； v——流动速度，m/s；
3．3．7 阀门的建模
对于管路系统中，会有很多阀门，但它们通常都处于全开或大半开度状态，基本不进行调节。为考察这些阀门的阻力，对阀门进行了瞬态仿真。模拟的过程是阀门线性关闭的过程，流量及压损随时间变化的关系如图3-11和图3-12所示。通过以上分析，可以发现，当阀门开度在0.7以上时，流量与压力损失的变化很小。因此，在冷却系统仿真中，未知开度的阀门均按全开处理。
Valve: Gate/闸阀：通用的标准件。通过阀门的开关，可以控制管路的流通与关闭。阀门为标准件，相关性能曲线，如压力损失性能曲线（Δp-ratio）与低雷诺数修正系数，已嵌入其中。 参数设置：
Diameter/公称直径：必填参数。 Position/位置开度：必填参数。 计算公式： 见式（3.3-5）。
图3-11 流量变化
图3-12 阀门的压力损失变化
3．3．8 过滤器的建模
过滤器在系统中的作用是去除杂质，保证水质。但在仿真中，则按其压力的变化来考虑。过滤器的功能在模型中仍采用DL离散损失元件来代替。DL元件的损失系数K可以通过以下公式求得：
K2pv2 （3.3-31）
式中
Δp——流过部件的压力损失，bar；额定工作状态下的压差； ρ——流体的密度，kg/m3；
v——流速，m/s；根据过滤器的额定流量及面积可以求得。 也可以通过DL元件直接设置其压力损失来代表过滤器的压降。
3．3．9 边界条件的处理
Source：Pressure/压力源：通常用此元件来模拟压力边界条件。根据具体的模型，可以用它来代表一些能起到定压作用的部件，比如水箱等。在此发动机外部管路模拟中，主要用压力源部件来模拟
换热器的入口压力。
参数设置：
Total Pressure/总压：必填参数。大多数情况下设为常数，也可以设为时间变化量。另外，根据计算类型及计算要求，还可以对作为大气的边界条件进行温度和湿度的设置。
Constant Temperature/温度：选填参数。当进行换热分析时，需要提供此参数，可以为常数，也可以为时间变化量。
Source：Flow/流量源：通常用此元件来模拟流量边界条件。根据具体的模型，可以用它来代表一些能起到定流量作用的部件，比如稳态运转的泵等。在此发动机外部管路模拟中，主要用流量源部件来模
拟通过换热器的流量。
参数设置：
Vol. Liquid Flow Rate/体积流量：必填参数。大多数情况下设为常数，也可以设为时间变化量。另外，还可以设置成质量流量。根据计算类型及计算要求，还可以对作为大气的边界条件进行温度和湿度的设置。
Constant Temperature/温度：选填参数。当进行换热分析时，需要提供此参数，可以为常数，也可以为时间变化量。
3．4 主要参数
此6缸发动机的相关设计图纸及运行参数由某所提供，将其输入到Flowmaster模型中进行仿真。
此发动机冷却系统分为机内部件与机外部件。冷却水套为机内部件，
Flowmaster模型如图3-13所示；机外部件包括水泵、换热器、阀门、管道、损失元件、水箱、边界元件等，如图3-14所示。根据发动机冷却系统中各元件的ID，对发动机机内、机外部件的参数进行统计，见附录二。
图3-13 发动机单缸水套Flowmaster模型
图3-14 发动机机外部件Flowmaster模型
4．分析结果
本次仿真为某发动机在600rpm下的稳定工况。在仿真时，由于众多参数不易确定，因此，采用了更为简化的模型，即只考虑冷却水带走的热量，不考虑通过机体表面的热损失。通过此次仿真，为考察系统的流量、压力、温度等的分布提供理论依据。本次仿真为简化仿真，精度有限，不能代替实验，仅供参考。
4．1 压力分布
发动机冷却系统中各处的压力分布如图4-1～图4-4所示。发动机冷却系统整体压力分布见附录三。
图4-1 机体冷却水套内压力分布（bar）
图4-2 高温淡水系统压力分布（bar）
图4-3 低温淡水回路压力分布（bar） 图4-4 海水回路压力分布（bar） 从以上各压力分布图中可以看出，由于流动阻力的缘故，流体经过每个部件后，压力都有所下降。通过压力分布的分析，可得到以下几点结论：
（1）通过图4-1~图4-4可以获得流体通过各主要部件的压力降。从而确定系统中压力降较大的部件，进而有针对性地来减小这些部件的流动阻力，减小系统的流动阻力，改善系统的性能。在此发动机冷却系统中，未出现部件压力降过高的现象，从而为选择水泵提供了依据。
（2）获得各部件进、出口的压力。判断该压力是否满足部件的工作压力要求。例如：图4-4中的过滤器的进口压力，如果压力过低，那么系统将无法正常工作；
（3）获得系统的微观参数。通过仿真可以得到发动机水套内部的压力分布，而该压力是无法通过实验获得的。从图4-1中可以看出，发动机各缸水套的压力分布及压力损失。
表4-1 发动机各缸水套的压降 编号 1 2 3 4 5 6 进口压力 3.42591 3.42479 3.42115 3.41386 3.40242 3.38506 出口压力 3.41964 3.41786 3.41305 3.40421 3.38980 3.36706 压降/kPa 0.627 0.693 0.810 0.965 1.262 1.800 注：发动机各缸编号见图3-1。 表4-2 各换热器压降 支路1-2 名称 高温淡水FH1 低温淡水FH2 中冷高温级CH1 中冷低温级CH2 油冷器LH1 327.507 328.999 349.090 348.984 339.344 321.697 5.810 130.638 325.377 3.622 163.858 344.718 4.372 350.000 341.615 7.369 323.622 334.919 4.425 401.760 支路3-4 压降 101.156 29.482 134.421 29.437 323.622 26.378 243.274 80.348 400.000 1.760 进口压力 出口压力 压降 进口压力 出口压力 注：1.表中压力及压降单位均为kPa； 2.表中支路1-2指的是淡水支路，支路3-4为海水支路、增压空气支路
及润滑油支路。
从表4-1中可以看出，各缸的压降差别较大，这是由于各缸的流量及温度分布的不均匀性造成的。靠近进、出水端的缸流量较大、温度较低，因此，水的粘度较大，压力降也较大，而远离端则相反。
从表4-2中可以看出，对于各换热器，淡水侧的压降都比较低。对于高代温淡水换热器，由于海水的流量较大，因此，压降也较大；对于增压空气中冷器，由于空气温度的的变化，压力降也较大；对于滑油侧，由于流量较小，因此压降较小。
4．2 流量分布
发动机冷却系统中各处的流量分布如图4-5～图4-8所示。发动机冷却系统整体流量分布见附录3。
图4-5 机体冷却水套内流量分布（m3/s）
图4-6 高温淡水系统流量分布（m3/s）
图4-7 低温淡水回路流量分布（m3/s） 图4-8 海水回路流量分布（m3/s）
各缸流量(L/s)76543210123456
图4-9 各缸流量分布
从图4-5~图4-8可以看出，冷却水经过各部件的流量的大小，从而判断某些部件是否达到工作要求。通过对系统中流量分布的分析，可以得到以下几点结论：
（1）从图4-5可以看出，发动机各缸的流量并不相同，靠近进、出水端的缸的流量较大，远离进、出水端的缸的流量较小。通过冷却水经过各缸的温度变化与流量，可以得到各缸冷却水带走的热量；
（2）通过图4-6~图4-7，可以得到温度控制阀两条支路的流量。温度控制阀通过调节两条支路的流量，达到调节水泵入口温度的目的；
（3）从图4-5~图4-8可以看出，系统的流量分布。从而可以考察冷却系统各支路的流动情况，如果流量较小，说明该支路的阻力较大，从而可以优化该支路。例如：换热器支路的流量较小，将导致换热效果不佳。
4．3 温度分布
发动机冷却系统中各处的温度分布如图4-10～图4-13所示。发动机冷却系统整体温度分布见附录2。
图4-10 机体冷却水套内温度分布（℃）
图4-11 高温淡水系统温度分布（℃）
图4-12 低温淡水回路温度分布（℃） 图4-13 海水回路温度分布（℃）
各缸温差(℃)121086420123456
图4-14 冷却水流经各缸的温差
从以上温度分布图中可以看出，冷却水经过发动机冷却水套后，冷却水吸热，温度升高，再经过换热器后，冷却水放热，温度下降，整个过程始终保持热量的平衡。
从图4-10~图4-13可得到以下几点结论：
（1）从图4-10中可以看出，冷却水经过发动机各缸水套后的温度上升有所不同，远离出水端的缸温度变化较大，可以定性地说明此缸的冷却效果较好。
各缸换热量(kW)173172.5172171.5171123456
图4-15 各缸换热量分布
（2）通过对图4-11与图4-12中温度控制阀的分析，温控阀经过换热器的支路温度分别由66℃降至52℃和44℃降至39℃，从而说明温控阀对于调节淡水泵入口温度起到很大作用；
（3）通过设定图4-11~图4-13中各换热器的换热量，可以计算出流体经过各换热器前后的温度变化，从而考察系统是否出现过热、过冷的现象；
180015001729.3负荷/kW12009006003000FH1FH2CH1CH2LH1636.7669.0247.5345.9
图4-16 各换热器换热量
从图4-16中可以看出，各换热器的负荷都在设计值附近。从而验证了选取的换热器是合理的。
吸热量23712375放热量2366235023252300
4．4 与实验结果对比
为考察仿真结果，对此发动机冷却系统进行了一些实验，得到一些部位的流量、压力、温度情况。与仿真结果的对比如表4-1所示。
表4-3 冷却系统仿真与实验结果对比 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 海水 低温淡水 高温淡水 回路 位置 发动机入口（中冷器后） 发动机出口 FH1出口 水泵入口 水泵入口 中冷器后 油冷器后 FH2出口 水泵入口 压力(bar) 仿真 实验 3.447 3.371 3.217 3.199 3.229 3.416 3.349 3.254 1.184 温度(℃) 仿真 实验 58.73 65.99 52.18 53.67 39.24 41.29 43.74 37.33 33 流量(l/s) 仿真 实验 34.08 34.08 30.53 34.08 34.1 34.1 34.1 23.89 68.07 10 11 12 13 14 15 增压空气 润滑油 FH2出口 FH1出口 CH2入口 CH2出口 LH1入口 LH1出口 1.344 1.012 3.236 2.433 4.018 4 35.29 41.41 99.09 63.36 73 61.9 68.07 68.07 2707 2707 17.91 17.91 通过表4-1中的仿真与实验结果的对比可以看出，仿真结果与实验结果 4．5 需进一步展开的工作
通过分析仿真结果，我们可以发现，仿真结果比较接近发动机的运行工况，但仍存在一些偏差，需要在以下几方面做进一步的研究：
1．在冷却系统仿真中，有些参数无条件获取，故采用了估测值，对这些参数进行实测或采集，可以大大提高仿真的精度；
2．在冷却系统仿真中，对于水泵等关键部件，由于没有进行相关的实际运行工况的测试，无法得到相关的P-Q曲线等数据，在仿真中采用了Flowmaster软件提供的默认参数，这种处理会导致仿真与真实系统运行结果有一定的误差。
3．在真实的系统中，各部件都有一定的热量损失。由于阀门、三通等部件结构复杂，且与外界的换热过程复杂，在仿真中对这些部件的散热未予考虑。在Flowmaster中是可以把这些换热过程予以求解的。
4．发动机本体的对流换热与辐射换热造成了热量损失。而发动机机体结构复杂，在Flowmaster中对相关的面积、长度、质量、换热系数等进行了平均化的估测，因此会存在一定的误差。可以通过建立较详细的模型来更精确地定义这些参数。
5．结论
从Flowmaster的详细建模过程以及仿真结果分析中，我们得到如下结论： 一、 Flowmaster的仿真结果比较符合实验的结果，说明Flowmaster能够很好的对发动机冷却系统进行仿真，对冷却系统起到预测压力、流量和温度的作用。
二、Flowmaster可以对介质的可压缩性、动压的分布、流速的变化等因素进行考虑，通过结果中各部件的流量值和速度值就可以看出，而在常规计算中通常不考虑。
三、Flowmaster的建模效率非常高，其友好的操作界面和符合工程习惯的输入方式提供了保障。对于一个复杂的发动机冷却系统，在参数齐全的情况下，建模仅仅需数小时。
四、Flowmaster的求解速度很快，对于包含上百个部件的冷却系统进行一次稳态分析的时间仅为数秒；另外，Flowmaster容易使用，对于一个经过初步培训的工程师，在一个工作日内就可以对各种工况的仿真及分析。
五、通过Flowmaster仿真，可以获得无法通过实验得到的数据，如发动机冷却水套内的温度分布。
六、通过Flowaster仿真，可以在早期阶段对多种方案进行分析比较，获得优选方案，从而大量减少实验次数，缩短了研发周期，降低了研发成本。
总之，Flowmaster在保证计算精度的同时，全面考虑系统中各种因素，方便工程师的建模和分析，获得实验无法得到的数据，对系统进行优化设计，从而大量减少实验次数，缩短研发周期，节约成本，为发动机冷却系统的设计和分析提供了可靠而先进的CAE平台。
附录一 常用材料的发射率
材料类别和表面状况 磨光的铬 铬镍合金 灰色、氧化的铅 镀锌的铁皮 具有光滑的氧化层表皮的钢板 氧化的钢 磨光的铁 氧化的铁 磨光的铜 氧化的铜 磨光的黄铜 无光泽的黄铜 磨光的铝 严重氧化的铝 磨光的的金 磨光的银 石棉纸 耐火砖 红砖（粗糙表面） 玻璃 木材 碳化硅涂料 上釉的瓷件 油毛毡 抹灰的墙 灯黑 锅炉炉渣 各种颜色的油漆 雪 水（厚度大小0.1mm） 温度/℃ 150 52~1034 38 38 20 200~600 400~1000 125~525 20 50 38 38 50~500 50~500 200~600 200~600 40~400 500~1000 20 38，85 20 1010~1400 20 20 20 20~400 0~1000 100 0 0~100 法向发射率 0.058 0.64~0.76 0.28 0.23 0.82 0.8 0.14~0.38 0.78~0.82 0.03 0.6~0.7 0.05 0.22 0.04~0.06 0.2~0.3 0.02~0.03 0.02~0.03 0.94~0.93 0.8~0.9 0.88~0.93 0.94 0.8~0.92 0.82~0.92 0.93 0.93 0.94 0.95~0.97 0.97~0.70 0.92~0.96 0.8 0.96
附录二 元件参数
1． 发动机水套参数
表1 发动机本体的参数 元件名称 Heat flow source ID 29 元件参数 Heat flow rate Area Discrete loss 33 Forward FLC Reverse F LC Flow area Thermal bridge FLC 28 Contact area Hydraulic diameter HTC Junction:90° Pipe: cylindrical 45、50 107、53 Through pipe diameter Branch pipe diameter Length Diameter Absolute roughness 数值 170 0.0177 25 35 0.2 2 25 0.12 1200 0.11 0.08 0.3 0.1 0.025 单位 kW m2 m2 m2 m W/m2·K m m m m mm 数据类型 精确 精确 合理取值 合理取值 估测 合理取值 估测 估测 合理取值 精确 精确 精确 精确 合理取值 备注 燃油放热20%~30% 注：1．表中元件编号请见图3-12。 2．表中有些名称采用的是缩写。分别为： HTC——Heat transfer coefficient FLC——Flow loss coefficient T——Temperature C-S——Cross-Section
2． 水泵参数
在冷却系统模型中，水泵模型由于P-Q曲线不易得到，因此采用了默认数据，而额定点的数据按实际情况输入。
表2 水泵的参数 元件参数 Rated flow Rated head Rated speed Rated power Speed ratio Initial speed 数值 高温淡水泵 0.01944 40 2970 50 1 2970 低温淡水泵 0.01944 40 2970 50 1 2970 海水泵 0.0417 20 1480 13.96 1 1480 单位 m3/s mH2O rpm kW rpm 数据类型 精确 精确 精确 精确 精确 精确 3． 换热器参数
表3 换热器的参数 元件参数 Loss coefficient 1 Pipe area 1 Hydraulic diameter1 Loss coefficient 2 Pipe area 2 Hydraulic diameter2 Thermal effectiveness 数值 FH1 4 0.0177 0.15 4 0.0177 0.15 0.45 FH2 4 0.0177 0.15 4 0.0177 0.15 0.6 CH1 2.4 0.0177 0.15 1 0.0177 0.4 0.68 CH2 2.4 0.0177 0.15 3 0.0177 0.4 0.6 LH1 2.4 0.0177 0.15 4 0.0177 0.15 0.35 单位 m2 m m2 m 数据类型 合理取值 精确 精确 合理取值 估测 估测 合理取值 备注 4． 阀门（含温控阀）参数
表4 阀门的参数 ID 3 8 9 31 32 58 60 30、73 39、75 元件名称 Valve:gate Valve:gate Valve:butterfly Valve:globe Valve:globe Valve:globe Valve:globe 温控阀 Thermostat 参数名称 Diameter/m 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 Time constant/s 3 Input op. variable 1(valve opening) Valve opening 1 1 1 0.95 0.05 0.85 0.15 Opening v T 曲线 Output v input op. variable 曲线 合理取值 Hysteresis offset/K 9 数据类型 精确 精确 精确 近似取值 近似取值 近似取值 近似取值 合理取值 备注 Valve controller 5． 管道参数
表5 管道的参数 ID 111 113 125 114 128 132 46 42 43 57 116 61 119 120 Length/m 6.7 0.5 0.9 6.7 1 4.5 4.5 0.45 0.5 5.3 1.14 0.4 0.5 0.5 Diameter/m 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.05 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.025 Absolute roughness/mm 数据类型 精确 精确 精确 精确 精确 估测 估测 精确 精确 精确 精确 精确 精确 精确 备注 124 63 25 59 118 121 6 2 0.5 1.5 0.65 0.55 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 精确 估测 精确 估测 精确 精确 6． 损失元件参数
表6 损失元件的参数 ID 112 126 127 130 129 123 115 117 54 55 74 Area/m 0.0177 0.0177 0.0177 0.0177 0.0177 0.0177 0.0177 0.0177 0.0177 0.0177 0.0177 Forward FLC 0.917 0.23 0.5 0.8 120 0.5 0.688 1.15 0.688 0.5 0.7 Reverse FLC 0.917 0.23 0.5 0.8 150 0.5 0.688 1.15 0.688 0.5 0.7 数据类型 精确 精确 精确 精确 估测 精确 精确 精确 精确 估测 估测 备注
7．边界条件参数
表8 边界条件的参数 ID 2 4 7 11 48 49 76 77 133 134 Total pressure/bar 4 3.5 4 3.4 3.4 Vol. flow rate/m3/s -0.01944 0.0417 -0.01944 -0.8903 -0.018056 Constant T/K 32 170 73 48 62 Liquid type water water water water Dry air Dry air mineral mineral water water 数据类型 精确 精确 精确 精确 精确 精确 精确 精确 精确 精确 备注 附录二 仿真结果
1．冷却系统压力分布
2．冷却系统温度分布
3．冷却系统流量分布
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