戴金躍，翟輝輝，周海超

(1.江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，航空工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江，212134；2. 鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校 汽車工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003； 3.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江，212013)

渦輪增壓技術(shù)的關(guān)鍵目的是提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩[1-2]。而強(qiáng)行增壓進(jìn)氣后溫度會(huì)升高，要對(duì)其冷卻。冷卻方式一般分為兩種：中冷和增壓器自身降溫的冷卻[3-4]。其中：增壓器自身的冷卻主要依靠油冷和風(fēng)冷，機(jī)油在中間體軸部件中運(yùn)行，承擔(dān)潤滑和冷卻作用，蝸殼中通過的是高溫廢氣，其冷卻依靠風(fēng)冷。對(duì)于具有高轉(zhuǎn)速的增壓器油冷則是達(dá)不到要求的，會(huì)另外再用水冷。即是除了油路，再做一個(gè)水路，在增壓器中間殼里有水管，給增壓器軸部提供額外降溫，同時(shí)配有進(jìn)水和排水管道，水路連通發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)。汽車渦輪增壓器進(jìn)水管對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起著冷卻作用，一旦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，造成水流在管道內(nèi)部流動(dòng)壓力損失過大，則會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效果產(chǎn)生影響[5]。

CFD數(shù)值模擬研究渦輪增壓進(jìn)水管內(nèi)壓力損失具有較高精確度，進(jìn)而可高效率地實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能優(yōu)化及匹配方面分析。顏衛(wèi)國等[6]對(duì)單個(gè)熱交換器的中冷器內(nèi)部熱交過程進(jìn)行了仿真分析，根據(jù)場協(xié)同理論，進(jìn)一步探究了換熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱管中冷器流動(dòng)熱傳遞的特性；徐勁松等[7]通過對(duì)內(nèi)燃機(jī)冷卻水套CFD仿真，大量水套內(nèi)流場信息為該款柴油機(jī)水套改進(jìn)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意見；范璘[8]用一臺(tái)V型八缸柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)不同工況下各缸流動(dòng)不均勻性進(jìn)行了仿真模擬分析，詳細(xì)獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的三維流速、溫度場、壓力場等流場信息。

開展渦輪增壓器進(jìn)水管內(nèi)部流體流場及壓力損失研究，有助于改善發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻效果。筆者采用CFD方法對(duì)渦流增壓進(jìn)水管管道內(nèi)的流場及壓力損失進(jìn)行分析，通過改變進(jìn)口流量、出口壓力、壁面粗糙度和進(jìn)水連通管直徑等方式，分析其對(duì)管道壓力損失的影響，進(jìn)而為渦輪增壓進(jìn)水管設(shè)計(jì)優(yōu)化提供有價(jià)值參考。

1 計(jì)算模型與計(jì)算方法

1.1 模型建立

依據(jù)增壓器進(jìn)水管的三維Catia裝配模型及工作原理，上端為進(jìn)水口，下端為出水口，如圖1(a)。由于水流在水管內(nèi)部空間流動(dòng)，故在Hypermesh中創(chuàng)建水管內(nèi)水流動(dòng)流域，如圖1(b)。為提高計(jì)算精度，確保計(jì)算穩(wěn)定和加快計(jì)算收斂，依據(jù)流場在各區(qū)域變化程度不同，對(duì)體網(wǎng)格按區(qū)域進(jìn)行不同程度細(xì)化，采用四面體和五面體混合方式生成體網(wǎng)格，單元數(shù)量為90萬。

圖1 結(jié)構(gòu)模型Fig. 1 Structure model

1.2 控制方程

渦輪增壓器冷卻水進(jìn)水管內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)具有較大旋轉(zhuǎn)流動(dòng)和顯著壓力降等現(xiàn)象，但水流運(yùn)動(dòng)依舊遵循質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律。定常Realizableκ-ε湍流模型對(duì)旋轉(zhuǎn)流體和流動(dòng)分析等具有很好的表達(dá)[9]，且該湍流模型廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)中。

質(zhì)量守恒方程如式(1)：

(1)

動(dòng)量守恒方程如式(2)：

(2)

湍動(dòng)能方程如式(3)：

(3)

湍動(dòng)能耗散率方程如式(4)：

(4)

式中：k為湍流動(dòng)能；ε為湍流耗散率；ρ為水流密度；μt為湍流黏度；σκ和σε分別為湍動(dòng)能和湍流耗散率的Prandlt數(shù)，分別取1.0和1.3；C1、C2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別取1.44和1.92。

1.3 邊界條件

管道進(jìn)水口螺栓直徑為8 mm，橫截面積A=50.264 mm2。在對(duì)水管進(jìn)行壓力損失分析時(shí)，分別設(shè)置水流入口流量Q為5、10、15、20、25、30 L/min。根據(jù)Q=VA，依次可獲得6種流量下進(jìn)口的流速為1.658、3.317、4.975、6.634、8.425、9.951 m/s。由雷諾數(shù)計(jì)算公式，可知6種水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)均為湍流運(yùn)動(dòng)。流體入口設(shè)定為速度入口，流體出口設(shè)定為壓力出口，管道壁面采用無滑移邊界條件，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。為保證計(jì)算精度，選用Fluent中的SIMPLEC算法，設(shè)定殘差為1E-5。

1.4 管道壓力損失計(jì)算

求解進(jìn)水管道壓力損失，其沿程阻力和局部阻力不能忽視。流體在管道中壓力損失ΔP是由沿程壓力損失ΔPf和局部的壓力損失ΔPi兩部分構(gòu)成[10]。為計(jì)算方便，將管道系統(tǒng)分成若干段，每一段按一個(gè)不變的直徑和不變的流量計(jì)算其壓力損失，然后將各段計(jì)算結(jié)果疊加，得出整個(gè)系統(tǒng)壓力損失。沿程損失ΔPf的計(jì)算如式(5)：

ΔPf=λρV2L/2d

(5)

式中：d為管道當(dāng)量直徑；V為入口速度；L為管道長度；ρ為流體密度；λ為管道摩擦系數(shù)。

由于過流斷面變化、流動(dòng)方向改變，速度重新分布，導(dǎo)致流體在管道系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生相互碰撞，形成漩渦，從而在管路系統(tǒng)中產(chǎn)生局部壓力損失，其表達(dá)式如式(6)：

(6)

式中：Vi管道內(nèi)流體速度；ξi為局部壓力系數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 管道內(nèi)流體流場分析

以進(jìn)口流量為15 L/min為例，進(jìn)行管道內(nèi)流體流場分析。圖2為管道內(nèi)的流體流速分布，圖3為管道內(nèi)的流體流線。圖4為管道內(nèi)流體壓力分布。

圖2 管道內(nèi)流體流速分布Fig. 2 Flow velocity distribution in pipe

圖3 管道內(nèi)流體流線Fig. 3 Streamline of water flow in pipe

圖4 管道內(nèi)流體壓力分布Fig. 4 Fluid pressure distribution in pipe

由圖2和圖3可知：在水流入口端的螺栓附近，水流運(yùn)動(dòng)發(fā)生了急劇變化，在沿著管道出口方向，流體流速逐漸降低；在水流入口處螺栓和彎曲管道處，流線發(fā)生了急劇變化，導(dǎo)致流速顯著降低，從而在螺栓彎曲處產(chǎn)生較大的局部壓力損失。

由圖4可知：管道內(nèi)流體壓力峰值位于進(jìn)口端螺栓與連通管交接部位，且在沿著管道內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)方向上，流體壓力呈現(xiàn)持續(xù)下降狀態(tài)。當(dāng)在管道結(jié)構(gòu)發(fā)生彎曲或擴(kuò)張的部位，流體壓力會(huì)產(chǎn)生較大突變，從而管道壓力損失增大。

2.2 入口流量對(duì)壓力損失影響

通過改變進(jìn)水管道入口不同流量，獲得管道壓力損失與入口流量的變化規(guī)律，如圖5。由圖5可知：管道壓力損失隨入口流量增長而呈現(xiàn)顯著增長趨勢(shì)。

圖5 不同進(jìn)口流量下的壓力損失Fig. 5 Pressure loss in different water flux

2.3 出口壓力對(duì)壓力損失影響

根據(jù)渦輪增壓器安裝實(shí)際情況，管道出口端存在變化著的外界壓力。以進(jìn)口流量15 L/min為例，相對(duì)應(yīng)進(jìn)口速度為4.975 m/s。通過設(shè)定不同的出口壓力，其余邊界條件保持不變，獲得出口壓力對(duì)壓力損失影響結(jié)果，如圖6。由圖6可知：隨著出口壓力增加，管道壓力損失呈現(xiàn)增大現(xiàn)象，但管道出口壓力持續(xù)增加，管道壓力損失維持在某一固定值。

圖6 出口壓力對(duì)壓力損失的影響Fig. 6 Effect of outlet pressure on pressure loss

2.4 壁面粗糙度對(duì)壓力損失影響

研究發(fā)現(xiàn)：在管道流動(dòng)中，即便粗糙度小到可以忽略不計(jì)，但流體間微小擾動(dòng)也能深入流道主流區(qū)，從而會(huì)導(dǎo)致整片管道區(qū)域內(nèi)流動(dòng)程度發(fā)生改變。因此改變壁面粗糙度，研究其對(duì)壓力損失變化尤為重要。

默認(rèn)狀態(tài)下Fluent假定粗糙度厚度(roughness height)Ks=0，表示壁面光滑。Fluent默認(rèn)粗糙度常數(shù)(roughness constant)Cs=0.5。對(duì)于均勻砂粒狀表面，一般不需要調(diào)整該值。但對(duì)于非均勻砂粒狀表面，如帶有筋板或網(wǎng)眼的表面，可取Cs=0.5～1.0，但目前Cs尚無準(zhǔn)確計(jì)算方法。筆者假定壁面為均勻沙粒表面，也即Cs=0.5，通過改變粗糙度厚度Ks值來改變壁面粗糙度。

以進(jìn)口流量為15 L/min為例，相對(duì)應(yīng)進(jìn)口速率為4.975 m/s。通過設(shè)定不相同壁面粗糙度，其余邊界條件保持不變，如圖7。由圖7可知：隨著壁面粗糙度增加，管道壓力損失隨之有一定增加。

圖7 壁面粗糙度對(duì)壓力損失的影響Fig. 7 Effect of wall roughness on pressure loss

2.5 進(jìn)水連通管直徑對(duì)壓力損失影響

由圖1(b)可知：水流從入口處空心螺栓進(jìn)入，4個(gè)小圓連接管通過周邊圓環(huán)孔的傳遞，最后匯聚于下方總流動(dòng)通道。因此通過改變?nèi)肟谔?個(gè)小圓進(jìn)水連通管直徑，可對(duì)流動(dòng)壓力損失做進(jìn)一步分析。

以進(jìn)口流量為20 L/min為例，相對(duì)應(yīng)進(jìn)口速度為6.634 m/s。通過將圖1(b)中的4個(gè)小圓連接管直徑為2.25 mm改為新的模型直徑2.7、2.0 mm，其余設(shè)置的邊界條件保持不變，得到結(jié)果如表1。由表1可知：管道內(nèi)部壓力損失隨進(jìn)水連通管直徑增加而減小，隨著進(jìn)水連通管直徑減小而增大。

表1 進(jìn)水連通管直徑對(duì)壓力損失影響Table 1 Effect of inlet diversion pipe’s diameter on pressure loss

4 結(jié) 論

1)通過對(duì)增壓器進(jìn)水管內(nèi)部流場分析，水流運(yùn)動(dòng)在入口端螺栓與管道彎曲交接部位發(fā)生了劇烈變化，此處也是管道壓力峰值出現(xiàn)的部位。在沿管道向出口方向上，管道內(nèi)壓力呈現(xiàn)明顯降低。

2)分析了入口端進(jìn)水量、出口端壓力、管道壁面粗糙度及連通管直徑等因素對(duì)增壓器進(jìn)水管管道壓力損失影響。隨著進(jìn)水量增加，管道壓力損失增大；出口壓力改變對(duì)壓力損失影響不明顯；增加管道壁面粗糙度會(huì)使壓力損失增大；增加進(jìn)水連通管直徑，壓力損失降低，反之壓力損失則增大。

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