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        活塞開式內(nèi)冷油腔振蕩流動傳熱特性研究*

        2014-02-27 06:02:04曹元福張衛(wèi)正楊振宇原彥鵬朱海榮
        汽車工程 2014年5期

        曹元福,張衛(wèi)正,楊振宇,原彥鵬,朱海榮

        (1.北京理工大學機械與車輛學院,北京 100081; 2.中國北方車輛研究所,北京 100072)

        前言

        內(nèi)燃機升功率的不斷提高導致活塞的熱負荷顯著增加。為保證活塞在高熱負荷下安全可靠地運行,振蕩傳熱作為一種非常高效的強化散熱方式,在高強化柴油機活塞中得到廣泛應用。

        振蕩傳熱最早由S.D.Heron在其1923年的專利中提出,直到20世紀60年代,研究人員才開始對振蕩傳熱進行研究。文獻[1]中對封閉圓柱空腔中的振蕩傳熱進行深入實驗研究,提出了振蕩傳熱的無量綱關聯(lián)式;目前的研究大多進行活塞關鍵位置溫度的測量,通過溫度的對比來了解內(nèi)冷油腔的振蕩傳熱效果[2-4]。

        隨著計算機技術和數(shù)值計算方法的快速發(fā)展,計算流體力學成為研究流體流動和傳熱的重要手段。文獻[5]中用數(shù)值模擬方法研究了二維空腔中振蕩傳熱問題。文獻[6]和文獻[7]中對內(nèi)冷油腔中的振蕩傳熱進行了數(shù)值模擬,但缺乏對系統(tǒng)的深入研究和分析。

        由于開式油冷活塞內(nèi)冷油腔帶有進出油口,內(nèi)冷油腔中的傳熱受各種因素的影響,如固定噴嘴的冷卻機油流量和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。

        本文中用CFD數(shù)值模擬方法,研究了不同轉(zhuǎn)速和機油流量下開式內(nèi)冷油腔中流動特性和傳熱特性,深入分析了機油通過率、填充率和換熱系數(shù)隨轉(zhuǎn)速和機油流量的變化規(guī)律,并對柴油機活塞冷卻噴嘴的機油供給量進行了改進。

        1 VOF多相流模型

        針對內(nèi)冷油腔中冷卻機油、空氣和壁面之間的流動傳熱問題,采用VOF多相流模型,其控制方程[8]如下:

        (1)

        (2)

        (3)

        式中:αq為第q相流體的體積分數(shù);t為時間;u為速度;ρ為密度;p表示單元中的壓力;gi為重力加速度;Fi為單元的體力;keff為有效導熱率;E為能量;T為溫度。每個控制單元內(nèi)第q相流體的體積分數(shù)有以下3種情況:(1)αq=0,第q相流體在單元中是空的;(2)αq=1,第q相流體在單元中是充滿的;(3)0<αq<1,單元中包含了第q相流體,第q相流體和一相或者其它多相流體之間有分界面。

        2 開式內(nèi)冷油腔CFD模型的建立

        2.1 幾何模型和網(wǎng)格模型

        圖1示出采用內(nèi)油腔冷卻的國外某柴油機的活塞及其油腔的示意圖[6]。本文中以某型國產(chǎn)柴油機活塞為例,首先建立活塞內(nèi)冷油腔三維幾何模型,活塞底部的流體空間區(qū)域簡化成圓柱體,底部的冷卻噴嘴與活塞運動方向平行,對準內(nèi)冷油腔的進油口。發(fā)動機具體技術參數(shù)見表1。

        網(wǎng)格模型如圖2所示,對近壁處網(wǎng)格進行了細化。壁面采用Fluent中提供的強化壁面處理。強化壁面處理在壁面網(wǎng)格精度較差時,采用壁面函數(shù)來處理壁面區(qū)域內(nèi)的速度和溫度分布,壁函數(shù)對壁面附近的湍流和熱流的計算比較粗糙;如果壁面網(wǎng)格精度足夠高時,將采用壁面處理的兩層模型來分別計算近壁區(qū)域和充分發(fā)展湍流區(qū)內(nèi)的速度和溫度分布。由于近壁區(qū)域的兩層模型是利用另一個方程封閉壁面的湍流黏性系數(shù),進而求解壁面附近的速度與溫度場,因此具有較高的精度。

        參數(shù)數(shù)值缸徑/mm132沖程/mm145壓縮比15單缸功率/kW100

        2.2 邊界條件與初始化

        (1) 入口邊界條件

        計算區(qū)域噴嘴入口采用速度入口條件。

        入口湍流脈動動能k為

        (4)

        其中I=0.16Re-1/8

        (5)

        式中:Ua為平均流動速度;I為湍流強度;Re為雷諾數(shù)。

        湍流耗散率ε按照下式確定:

        (6)

        式中:l=0.07L,L為管道特征長度;Cμ為湍流模型的經(jīng)驗常數(shù)。

        (2) 出口邊界條件

        內(nèi)冷油腔流場與曲軸箱相連通,假定曲軸箱內(nèi)部氣體壓力變化不大,因此出口采用壓力出口邊界條件。

        (3) 壁面邊界條件

        首先根據(jù)經(jīng)驗公式,計算得到內(nèi)冷油腔壁面換熱系數(shù),然后利用有限元軟件得到整個活塞溫度場。將內(nèi)冷油腔壁面分為4個區(qū),如圖3所示。各分區(qū)的壁面溫度數(shù)值取區(qū)域平均值,具體數(shù)值見表2。

        壁面分區(qū)G1G2G3G4溫度/K533513493473

        (4) 初始化

        固定噴嘴從初始時刻開始往內(nèi)冷油腔中噴射機油,即在計算的初始時刻內(nèi)冷油腔中并沒有機油,計算區(qū)域內(nèi)全部為空氣介質(zhì)。

        湍流模型選用k-ω模型,多相流模型選擇VOF模型,計算不同轉(zhuǎn)速和機油流量等條件下內(nèi)冷油腔中流動傳熱特性。轉(zhuǎn)速分別選取1 000、1 500、2 000、2 500和3 000r/min,流量選取1、2和3L/min(噴嘴直徑為2mm、機油溫度為100℃),在15種工況下對開式內(nèi)冷油腔中的振蕩流動傳熱進行了數(shù)值模擬。

        計算時監(jiān)測內(nèi)冷油腔中機油填充率,計算多個循環(huán)之后,當其只與曲軸轉(zhuǎn)角有關,循環(huán)與循環(huán)之間的變動較小時,說明內(nèi)冷油腔中機油流動與傳熱處于相對穩(wěn)定狀態(tài),取此循環(huán)之后的計算結果進行分析。

        3 開式內(nèi)冷油腔振蕩流動特性分析

        3.1 機油瞬態(tài)振蕩流動分布分析

        內(nèi)冷油腔置于活塞頭的內(nèi)部,空間十分有限,且發(fā)動機轉(zhuǎn)速高,通過實驗手段對油腔內(nèi)部冷卻機油流動狀態(tài)進行觀測,進而研究其流動特性十分困難。利用數(shù)值模擬的方法則可方便地模擬、觀察和記錄活塞內(nèi)冷油腔中機油的流動和分布狀況,為后續(xù)內(nèi)冷油腔的設計提供依據(jù)。

        圖4為轉(zhuǎn)速3 000r/min、機油流量2L/min工況下內(nèi)冷油腔中機油瞬態(tài)流動分布示意圖,色標數(shù)值表示油氣兩相的體積分數(shù),1代表全是機油,0代表全是空氣。由圖可見:活塞從上止點向下運動時,機油積聚在油腔頂部,幾乎沒有機油從油腔的進口和出口流出;當活塞快到達下止點之前時,活塞減速運行,而機油則在慣性力作用下以較高速度迅速脫離內(nèi)冷油腔的頂部,撞擊到底部;活塞上行時,機油大多數(shù)積聚在內(nèi)冷油腔的底部,很容易從內(nèi)冷油腔的出口流出;當活塞上行到上止點之前時,同樣活塞減速運行,機油在慣性作用下保持較高速度,脫離底部撞擊到油腔頂部。

        3.2 機油通過率分析

        活塞內(nèi)冷通道機油通過率定義為

        (7)

        式中:qout為一個循環(huán)從油腔出油口流出的機油流量;qjet為一個循環(huán)冷卻噴嘴出口的機油流量。

        一般說來,機油通過率越大越好,即冷卻噴嘴流出的機油能盡量多地進入內(nèi)冷油腔,并且從出油口流出。目前發(fā)動機活塞振蕩冷卻實驗臺都是把活塞固定在活塞的某個行程,然后測量活塞靜止狀態(tài)下通過內(nèi)冷油腔的機油流量的多少,進而評定內(nèi)冷油腔設計。然而活塞往復運動下的機油通過率與靜態(tài)下的“打靶”實驗結果是不同的。

        圖5為轉(zhuǎn)速3 000r/min、機油流量2L/min時內(nèi)冷油腔進口和出口瞬時機油流量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。由圖可見:活塞在上止點后70°CA速度達到最大,之后減速慢行,積聚在油腔頂部的冷卻機油在慣性力作用下脫離頂部并加速下行,大約在上止點后100°CA附近撞擊到油腔底部,這時大量的機油從油腔的出口流出,從圖中還可以看出,冷卻機油在慣性力作用下在入口處發(fā)生回流,此時也有少量機油從入口流出;當活塞上行時,大約在上止點前70°CA速度最大,然后減速上行,機油則在慣性力作用下從油腔底部脫離上行,此時刻之后未有機油從油腔的進口和出口流出。

        對出口的瞬時機油流量進行積分可以得到一個循環(huán)從油腔出油口流出的機油流量,冷卻噴嘴的機油流量已知,由式(7)可以求得內(nèi)冷油腔的機油通過率。圖6給出了機油通過率隨轉(zhuǎn)速和流量的變化關系。由圖可見:在相同冷卻機油流量條件下,隨著轉(zhuǎn)速的提高,機油通過率呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢;轉(zhuǎn)速相對較低時,冷卻機油受慣性力作用在活塞下止點附近在油腔入口處發(fā)生回流,因發(fā)動機轉(zhuǎn)速低慣性力不是很大,回流的機油流量不是很多,機油通過率較高;隨著轉(zhuǎn)速的提高,往復慣性力增大,從油腔入口處回流的機油流量增多,使得機油通過率減??;當超過某一轉(zhuǎn)速后,往復慣性力變得很大同時其作用時間變得很短,機油來不及回流,冷卻機油通過率又繼續(xù)增加。

        從圖中還可以看出,在不同轉(zhuǎn)速和冷卻機油流量下,機油通過率基本在60%~80%之間變動,說明該內(nèi)冷油腔機油通過率較高。通過在進口位置設置凸臺,有利于更多的機油從出口側流出,從而減小或避免機油回流,進一步增大通過率,這有利于機油帶走更多的熱量,有效降低活塞的熱負荷。

        3.3 機油充油率分析

        圖7給出了轉(zhuǎn)速3 000r/min、機油流量2L/min工況下內(nèi)冷油腔中的機油填充率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。結合圖4和圖7可以看出:活塞從上止點向下運動時,充油率隨曲軸轉(zhuǎn)角的增大逐漸增大,并在下止點之前達到最大值,這是由于活塞下行時機油積聚在油腔頂部,幾乎沒有機油從油腔的進出口流出,所以填充率逐漸增大;當活塞快到達下止點時,活塞減速運行,而機油在慣性作用下以較高速度迅速脫離內(nèi)冷油腔的頂部,撞擊到底部,并且部分機油從油腔的進出口流出,機油填充率開始減小。

        由于內(nèi)冷油腔中的機油填充率是動態(tài)變化的,在一個循環(huán)周期內(nèi),內(nèi)冷油腔中的機油填充率在某個數(shù)值上下波動。對其在一個周期內(nèi)求算術平均,將該值作為對應轉(zhuǎn)速和流量工況條件下的數(shù)值。

        填充率與轉(zhuǎn)速和冷卻機油流量密切相關。圖8給出了內(nèi)冷油腔機油填充率隨轉(zhuǎn)速和流量的變化規(guī)律。由圖可見:當冷卻機油流量為1L/min時,機油填充率由1 000r/min的40%逐漸下降到3 000r/min的17%;當冷卻機油流量為2L/min時,機油填充率由1 000r/min的82%迅速下降到2 000r/min的42%,當轉(zhuǎn)速超過2 000r/min后,機油填充率下降緩慢;流量增大到3L/min時,機油填充率由1 000r/min的82%迅速下降到2 000r/min的74%,當轉(zhuǎn)速超過2 000r/min后,機油填充率下降迅速。

        從總體變化趨勢上看,機油填充率隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而下降。這主要是由于活塞和冷卻噴嘴之間變化的速度引起的。在活塞上行時,活塞運動速度和冷卻噴嘴出口的冷卻機油速度方向相同,轉(zhuǎn)速提高后,某時刻活塞速度比冷卻機油速度大,會導致在該時間間隔內(nèi)沒有冷卻機油進入內(nèi)冷油腔,從而導致機油填充率的下降。

        相同轉(zhuǎn)速條件下,隨著冷卻機油流量的增加,單位時間內(nèi)進入內(nèi)冷油腔的冷卻機油量也增加,因此內(nèi)冷油腔中的機油填充率增加。特別當轉(zhuǎn)速在1 000r/min時,并且當流量由1變?yōu)?L/min后,機油填充率由36%迅速增大到82%,即使流量繼續(xù)增加,機油也不能完全充滿內(nèi)冷油腔,填充率穩(wěn)定在82%左右,不再發(fā)生變化。

        4 開式內(nèi)冷油腔振蕩傳熱特性分析

        圖9給出了內(nèi)冷油腔壁面周期平均換熱系數(shù)隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速和冷卻機油流量的變化規(guī)律。由圖可見:隨著轉(zhuǎn)速的升高,內(nèi)冷油腔壁面的循環(huán)平均換熱系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的提高而迅速增大。這主要是由于隨著轉(zhuǎn)速的升高,內(nèi)冷油腔中湍流強度變大,壁面邊界層減薄,壁面區(qū)流體和中心區(qū)流體的混合增強,從而強化了傳熱,使換熱系數(shù)大幅增加。

        在低轉(zhuǎn)速區(qū)域,相同轉(zhuǎn)速條件下,增加冷卻機油流量,內(nèi)冷油腔中的機油填充率隨之大幅增加,當機油填充率太高時,冷卻介質(zhì)自由液面與壁面之間的距離縮短,削弱了流體對壁面的撞擊效應,同時因振蕩產(chǎn)生的湍流混合減弱,換熱系數(shù)反而略有下降。

        在高轉(zhuǎn)速區(qū)域,相同轉(zhuǎn)速條件下,冷卻機油流量較低時,內(nèi)冷油腔中的機油填充率較小,導致機油溫度過高,換熱系數(shù)略有下降,不利于換熱性能的增強。

        由前面分析可知,冷卻機油流量的大小影響內(nèi)冷油腔中的機油填充率,進而影響振蕩傳熱。油腔內(nèi)機油填充率過高或過低,都會使振蕩傳熱效果變差,不利于活塞的冷卻,因此要求油腔內(nèi)機油充油率合理,使得內(nèi)冷油腔中的機油能夠振蕩起來,使冷卻機油相對于內(nèi)冷油腔壁面有相對較高的速度和湍流強度,從而提高振蕩傳熱系數(shù)。為充分利用振蕩換熱,機油填充率不要低于30%,也不要高于60%。

        5 冷卻噴嘴流量的改進

        活塞冷卻機油流量與活塞結構、內(nèi)冷油腔大小、熱負荷狀況和輸油方式有關。傳統(tǒng)的冷卻噴嘴設計原則為出口機油速度大于活塞的最大瞬時速度。

        表3給出了活塞冷卻噴嘴的設計流量與油束設計速度的具體數(shù)值,以及對應轉(zhuǎn)速和流量下的機油填充率仿真分析結果。從表3可以看出,在概念設計階段的機油流量下,該活塞內(nèi)冷油腔中的機油填充率普遍高達70%~80%,說明概念設計階段的機油流量偏高。增加冷卻機油流量可以降低活塞的熱負荷,但當機油流量增加到一定數(shù)值以后,冷卻機油帶走的熱量基本不變,如果繼續(xù)增加機油流量,反而會過多地消耗機油泵的功率,降低柴油機的熱效率,而且也會增加活塞的熱應力,所以一定要研究最經(jīng)濟的冷卻機油流量,對活塞適度冷卻。

        表3 柴油機冷卻噴嘴設計參數(shù)

        當內(nèi)冷油腔中的機油填充率在50%左右時,振蕩冷卻傳熱效果最好,因此以50%機油填充率作為設計指標,重新設計活塞冷卻噴嘴機油流量。圖10給出了固定噴嘴的機油流量改進前后的對比情況。以50%機油填充率為設計指標,改進后固定噴嘴的冷卻機油流量大幅下降,在保證活塞振蕩強化傳熱效果的情況下,同時減小了泵功損失和熱損失,系統(tǒng)的綜合性能達到最優(yōu)。

        6 結論

        (1) 應用CFD模擬活塞內(nèi)冷油腔中的流動傳熱,可以在短時間內(nèi)獲得大量而準確的信息,便于指導設計與改進。

        (2) 該活塞內(nèi)冷油腔的機油通過率在60%~80%,通過在入口處設置凸臺,可進一步提高機油通過率。

        (3) 相同機油流量下,機油填充率隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而下降;相同轉(zhuǎn)速條件下,填充率隨著機油流量增加也迅速增加,最終會趨于穩(wěn)定,但不會完全充滿內(nèi)冷油腔。

        (4) 內(nèi)冷油腔壁面的循環(huán)平均換熱系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的提高而迅速增大。

        (5) 機油填充率過多或過少會導致?lián)Q熱性能略有下降,在保證活塞振蕩強化傳熱效果的情況下,以50%機油填充率為設計指標,改進后冷卻噴嘴的機油流量大幅下降。

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