張一兵，呂建軍，袁廣輝

(1.武漢理工大學機電工程學院,武漢 430070； 2.奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖 241009)

發(fā)動機空心氣門振蕩傳熱特性的多相流數(shù)值模擬*

張一兵1，呂建軍1，袁廣輝2

(1.武漢理工大學機電工程學院,武漢 430070； 2.奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖 241009)

建立了空心充鈉氣門內(nèi)部腔體的VOF多相流分析數(shù)值模型，并利用該模型分別對空心頭和空心桿兩種氣門腔體中填充的50%冷卻介質(zhì)的振蕩傳熱進行了數(shù)值模擬，分析了空心氣門腔體內(nèi)冷卻介質(zhì)的冷卻狀況和空心頭部直徑變化對傳熱性能的影響。結果表明：空心頭氣門的傳熱效果優(yōu)于空心桿氣門；空心頭氣門腔體的振蕩傳熱平均傳熱系數(shù)隨著空心頭部直徑的增大呈先升高后下降的趨勢。

空心氣門；振蕩傳熱；多相流；數(shù)值模擬

前言

熱傳遞是自然界中普遍存在的一種現(xiàn)象，強化傳熱技術是學術界長期以來一直尋求發(fā)展和突破的領域。對于充有部分冷卻介質(zhì)的腔體，由于腔體的高速往復運動，冷卻介質(zhì)在腔體內(nèi)發(fā)生強烈振蕩，并且壁面之間形成很大的相對速度，在此條件下，流體容易形成湍流，從而產(chǎn)生強化傳熱作用，該傳熱方式稱為振蕩傳熱[1]。

關于振蕩傳熱應用[2]，研究人員在內(nèi)燃機活塞和氣門的傳熱冷卻方面進行過相關的研究。早期的研究主要是基于實驗研究，文獻[3]和文獻[4]中對實驗結果進行了歸一化，提出了基于管流公式的振蕩傳熱實驗關聯(lián)式，并廣泛應用于工程設計計算。實驗方法的缺點是缺乏系統(tǒng)的理論，并且基于實驗的經(jīng)驗設計，對于不同的工況，可能導致傳熱效果與實驗結果有較大的出入，不能很好地反映現(xiàn)實情況。近年來，隨著計算機技術的發(fā)展和大型仿真軟件ANSYS-FLUENT的出現(xiàn)，使內(nèi)燃機活塞和空心氣門的模擬實驗和數(shù)值分析研究得以深入。文獻[5]中對內(nèi)冷油腔中的振蕩傳熱進行了分析，研究了環(huán)形冷油腔中機油填充率、傳熱系數(shù)等參數(shù)隨轉(zhuǎn)速、冷卻油流量的變化規(guī)律。文獻[6]中采用直接數(shù)值模擬方法對鈉冷卻氣門桿內(nèi)的振蕩傳熱進行了2D數(shù)值分析，研究發(fā)現(xiàn)采用中空充鈉技術的排氣門在2D和3D數(shù)值模擬結果上可以看出其最高溫度與實體氣門相比顯著下降。

氣門是發(fā)動機的關鍵零件之一，在發(fā)動機中起著輸送新鮮空氣和排出燃燒廢氣的重要作用。隨著現(xiàn)代汽車技術的不斷提高，氣門的工作環(huán)境越來越惡劣，高溫(800～900℃)、高壓(12MPa[7])、高腐蝕的工作環(huán)境，對氣門可靠性方面的要求也越來越高，為此，需要研究人員對空心氣門[8]進行更深入的研究。

圖1 空心頭氣門結構示意圖

圖1為發(fā)動機空心頭氣門結構示意圖。研究發(fā)現(xiàn)，空心氣門的平均溫度較實心氣門平均降低80～150℃，并且由于空心氣門質(zhì)量較輕，可有效減小氣門與氣門座圈之間的落座撞擊力，減輕氣門的磨損，延長氣門的壽命。由于氣門盤面直接與高溫燃氣接觸，在排氣過程中頸部受到高溫高壓廢氣沖刷，因此這兩部分為受熱影響最大的區(qū)域。如果將空心桿氣門改為空心頭氣門結構，則能夠通過氣門內(nèi)的液態(tài)鈉將集中在頭部的熱量傳遞到桿部，降低氣門頭部的溫度。

1 數(shù)值分析模型與邊界條件

1.1 數(shù)值分析模型

流體流動同樣遵守質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[9]，對于需要得到一種或者多種不相融流體間的交界面情況分析時，可采用流體體積模型(VOF)。在VOF模型中，不同的流體組分共用一組動量方程，計算時在全流場的每個計算單元內(nèi)，都記錄下各流體組分所占有的體積率。

對于所研究的腔體內(nèi)填充部分冷卻介質(zhì)的空心氣門模型，假設腔體內(nèi)所有相的體積分數(shù)之和為1，在每個控制單元內(nèi)，如果第q相流體的體積分數(shù)記為aq，那么每一個控制單元內(nèi)第q相流體的體積分數(shù)會有以下情況:(1)aq=0,表示第q相流體在單元中是空的；(2)0

根據(jù)氣門結構的對稱性，將氣門數(shù)值分析模型簡化為二維模型[6]，經(jīng)過75萬次近90h的迭代計算，可以得到腔體內(nèi)液態(tài)鈉往復振蕩運動的模擬結果。使用Gambit專用軟件進行建模，依據(jù)模型的點、線、面的生成順序進行操作構建二維模型，然后對模型進行劃分網(wǎng)格和設定邊界條件。完成網(wǎng)格劃分后的空心氣門充鈉模型如圖2所示。

圖2 空心氣門的網(wǎng)格劃分和充鈉模型

空心氣門內(nèi)部型腔的模型包括空心部位(圖中白色區(qū)域)和填充的冷卻介質(zhì)金屬鈉(圖中黑色區(qū)域)。氣門沿x方向做高速往復運動，熱量由空心氣門腔體的頭部通過冷卻介質(zhì)(液態(tài)鈉)向底部傳遞。

由于高速運動時，氣門中的液態(tài)鈉處于復雜的運動狀態(tài)，液體的雷諾數(shù)大于4 000時，液態(tài)鈉此時為湍流狀態(tài)，在模擬計算中，即含有湍流又含有氣液兩相流，因此選用剪切壓力傳輸(SST)k-ω模型，它不僅考慮了正交發(fā)散項，使方程在靠近壁面和遠離壁面都合適，而且在計算流動領域中的問題時有更高的精度和可信度；其物理模型設定為VOF多相流模型。

1.2 邊界條件的設定

本文中所建立的模型是整個封閉腔體，其邊界條件均為壁面邊界條件。其中，氣門頭部溫度設置為1 073K，氣門桿端溫度為523K[10]。由于作用于氣門頭部的熱量主要通過與氣門接觸的氣門導管、氣門座的熱傳導進行傳熱，而氣門桿與氣門導管之間為滑動摩擦接觸，氣門導管本身所處的溫度相對較低，所以更多的熱量通過氣門桿傳遞出去。為了研究液態(tài)金屬鈉在氣門腔體內(nèi)部從頭部到桿部往復振蕩的傳熱效果，建模時忽略了熱量通過氣門導管等向外傳遞的情況，將氣門的頸部和桿部設置為絕熱壁面，并且假設模型中的氣門腔體不動，液態(tài)金屬鈉和氣體做相對運動。施加的運動速度為凸輪的轉(zhuǎn)速1 600r/min，在建模中利用UDF編程，將凸輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為往復運動的速度函數(shù)。選擇PISO算法進行求解，該方法能夠提高計算的效率，并且執(zhí)行兩個附加矯正：相鄰矯正和偏斜矯正。

2 數(shù)值模擬結果

為了分析空心氣門內(nèi)部腔體結構對氣門傳熱的影響，在分析中，首先將驅(qū)動氣門往復運動的凸輪轉(zhuǎn)速設置為1 600r/min，金屬鈉的填充率設為50%，然后通過改變氣門內(nèi)部腔體的結構形狀來分析比較不同結構的傳熱特性。分析所采用的氣門結構參數(shù)如表1所示。

表1 模擬參數(shù) mm

2.1 空心氣門冷卻介質(zhì)流動過程數(shù)值模擬

圖3給出了轉(zhuǎn)速為1 600r/min時，空心桿氣門和空心頭氣門空腔中冷卻介質(zhì)鈉的流動示意圖。圖中白色箭頭表示運動方向，黑色代表液態(tài)金屬鈉，灰色代表氣體。

圖3 空心氣門冷卻介質(zhì)鈉的流動

當空心氣門在凸輪的驅(qū)動下，由上止點向下止點方向運動時，大多數(shù)的液態(tài)鈉積聚在空腔的頭部A；當氣門接近下止點時，空腔作減速運動，液態(tài)鈉在高速慣性力的作用下，已脫離頭部A撞擊到底部B。相反，當空腔由下止點向上止點方向運動時，液態(tài)鈉積聚在空腔底部B，接近上止點時，空腔作減速運動，液態(tài)鈉在高速慣性力的作用下，已脫離底部B撞擊到頭部A。由于空腔的往復運動，液態(tài)鈉在空腔內(nèi)不斷地流動沖擊頭部和底部，將熱量不斷從頭部傳到桿部，實現(xiàn)了振蕩傳熱。

2.2 空心氣門傳熱效果分析

傳熱系數(shù)是表征傳熱過程強烈程度的標尺，而平均傳熱系數(shù)則表征了在某一條件下傳熱程度的平均大小，它可以用來解釋整體傳熱程度。

根據(jù)表1所給出的不同結構參數(shù)建立不同參數(shù)模型，計算得出的瞬時傳熱系數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 D=16mm,d=6mm結構參數(shù)模型下的瞬時傳熱曲線

由圖4可知，瞬時傳熱系數(shù)在某個確定的數(shù)值范圍內(nèi)上下波動，這是由于在運動過程中腔體內(nèi)介質(zhì)以氣體、液態(tài)鈉以及氣體和液態(tài)鈉的混合態(tài)存在，并且位置不同，它們的體積分數(shù)也不同，導致溫度、密度、壓力發(fā)生變化，因此瞬時傳熱系數(shù)呈現(xiàn)波動狀態(tài)。

由圖4的D=16mm,d=6mm結構參數(shù)模型下的瞬時傳熱曲線，經(jīng)整理分析后得出其他3組平均傳熱系數(shù)隨空心頭氣門頭部直徑的變化關系，如表2所示。

表2 傳熱系數(shù)隨空心頭氣門頭部直徑變化

由表2可知：空心頭氣門比空心桿氣門的傳熱效果好，與空心桿氣門相比，空心頭氣門的最大傳熱系數(shù)提高了56%；平均傳熱系數(shù)隨著頭部直徑的增大出現(xiàn)先增大后減小的情況，并且在這一范圍(6～20mm)內(nèi)有一個合適的頭徑與桿徑比值使傳熱效果達到最佳。

2.3 數(shù)值分析結果驗證

文獻[3]中通過對封閉冷卻腔體內(nèi)的傳熱實驗數(shù)據(jù)進行歸一化處理，得到可用于驗證振蕩傳熱實驗的Bush關聯(lián)式為

(1)

式中：D1為空腔直徑；b為空腔長度；n為轉(zhuǎn)速；λ為冷卻介質(zhì)的導熱率；ν為冷卻介質(zhì)的運動黏度；D*為徑長比。

本數(shù)據(jù)計算中雷諾數(shù)使用公式為

(2)

式中：D為空心腔體頭部直徑；液態(tài)鈉的密度ρ=852kg/m3；液態(tài)鈉的黏度η=7.64×10-4kg/(m·s)，其余參數(shù)如表3所示。

表3 液態(tài)鈉在不同腔體直徑下的平均速度

數(shù)值模擬結果和Bush關聯(lián)式計算結果如圖5

圖5 仿真結果與Bush關聯(lián)式的對比

所示。由圖可見，大多數(shù)仿真結果與關聯(lián)式的結果趨勢一致，表明建立的模型是合理的。兩者之間存在誤差，是由于Bush關聯(lián)式研究的是同直徑下的振蕩傳熱模型，未考慮腔體頭部直徑變化作用下的液體流動的作用，雷諾數(shù)的計算使用的轉(zhuǎn)速n為曲軸轉(zhuǎn)速，而本文計算中直接使用模擬結果中的湍流速度代入式(2)，說明基于實驗的關聯(lián)式還存在些不足，應針對變直徑的情況，進一步研究和修正實驗關聯(lián)式的相關影響系數(shù)和參數(shù)。

3 結論

(1) 應用FLUENT軟件和VOF多相流模型對發(fā)動機空心氣門腔體內(nèi)金屬鈉和氣體高速振蕩流動與傳熱進行了計算，分析得出振蕩傳熱有助于提高空心氣門的傳熱效率。

(2) 空心頭結構的氣門傳熱冷卻效果優(yōu)于空心桿結構的氣門傳熱效果。

(3) 當空心氣門腔體內(nèi)液態(tài)鈉的填充率為50%時，在腔體的桿徑與長度不變的條件下，選擇合適空心頭氣門的直徑尺寸可以使傳熱系數(shù)最大提高56%。

[1] 姚仲鵬,王新國.車輛冷卻傳熱[M].北京:北京理工大學出版社,2001:75-79.

[2] 黃宇,陳君若,劉顯茜.圓管內(nèi)插圓錐紐帶強化傳熱數(shù)值模擬[J].化工學報,2015,4(4):11-14.

[3] BUSH J E, LONDON L. Design date for cocktail shaker cooled pistons and valves[C]. SAE Paper 720024.

[4] FRENCH C C J. Piston cooling[C]. SAE Paper 720024.

[5] 曹元福,張衛(wèi)正,等.封閉空腔中多相流振蕩傳熱特性的數(shù)值模擬[J].化工學報,2013,64(3):891-896.

[6] SANDER W, WEIGAND B. Shaker-based heat and mass transfer in liquid metal cooled engine valves[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2009,52(2):2552-2564.

[7] 李朋,孫友松.發(fā)動機氣門成形加工發(fā)展綜述[J].鍛壓裝備與制造技術,2007(6):18-21.

[8] 胡學根.空心氣門及其制造工藝[J].內(nèi)燃機配件,2002(5):13-19.

[9] 丁欣碩,焦楠.FLUENT14.5流體仿真計算從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2014.

[10] 孫建新.內(nèi)燃機構造與原理[M].北京:人民交通出版社,2004:40-50.

Multiphase Flow Numerical Simulation on the Oscillating HeatTransfer Characteristics of Engine Hollow Valves

Zhang Yibing1, Lü Jianjun1& Yuan Guanghui2

1.SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070；2.CheryAutomobileLimitedbyShareLtd.,Wuhu241009

A VOF multiphase flow analysis model for the inner cavity of sodium filled hollow valves is established, with which a numerical simulation is conducted on the oscillating heat transfer of both head-shaped and rod-shaped hollow valves filled with 50% volume of cooling medium, and the influences of cooling condition and hollow head diameter on heat transfer performance are analyzed. The results show that the heat transfer effect of head-shaped hollow valve is better than that of rod-shaped hollow valve, and for head-shaped hollow valve, with the increase of the diameter of hollow head, the change of average oscillating heat transfer coefficient exhibits a tendency of rise first and then fall.

hollow valve; oscillating heat transfer; multiphase flow; numerical simulation

*國家自然科學基金(51205297)資助。

2016231

原稿收到日期為2015年9月21日，修改稿收到日期為2015年12月30日。