（河北科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，石家莊 050018）

0 引言

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于坦克、載重汽車、工程機(jī)械等大型、重載機(jī)械裝置上，隨著柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率不斷提升，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的熱損傷失效時(shí)有發(fā)生[1～3]。為了避免這種問(wèn)題的發(fā)生，保障發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行，人們提出了一系類的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞冷卻措施[4～6]，其中振蕩冷卻應(yīng)用較為廣泛。發(fā)動(dòng)機(jī)活塞振蕩冷卻是指在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頭部附近設(shè)置冷區(qū)油腔，在冷卻油腔內(nèi)填充一定比例的冷卻油，在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，冷卻油腔內(nèi)的冷卻油不斷沖擊冷卻油腔的各個(gè)壁面，產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍流從而提高傳熱效果[7～9]。本文主要針對(duì)冷卻油腔的截面形狀對(duì)傳熱效果的影響開(kāi)展研究，對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的意義。

1 有限元分析

1.1 幾何模型

圖1為某柴油機(jī)活塞的示意圖。如圖1所示，冷卻油腔位于活塞的頭部，其形狀設(shè)計(jì)需要從活塞的強(qiáng)度和傳熱效果兩方面考慮。

圖1所示的活塞冷卻油腔形狀一般為一個(gè)恒截面回轉(zhuǎn)空腔，空腔內(nèi)部填充填充部分機(jī)油。柴油機(jī)工作過(guò)程中，隨著活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，填充在活塞冷卻油腔中的機(jī)油在冷卻油腔內(nèi)振蕩流動(dòng)，從而帶走活塞頂部的熱量。在活塞內(nèi)填充的冷卻油振蕩流動(dòng)的過(guò)程中，冷卻油與活塞壁面不斷發(fā)生碰撞，破壞冷卻油腔壁面的液體邊界層，從而起到強(qiáng)化傳熱的作用。

圖1 某110型柴油機(jī)活塞模型

為了探索冷卻油腔形狀對(duì)振蕩傳熱效果的影響，本文建立三種截面形狀的油腔模型分別為圓形、橢圓形和水滴形。三種油腔截面具有相同的面積，其幾何尺寸如圖2所示。

1.2 物理模型

數(shù)值模擬中，采用VOF多相流模型，整個(gè)油腔內(nèi)簡(jiǎn)化為含機(jī)油和空氣兩種流體，并且兩者之間互不混合。每一個(gè)控制體積內(nèi)，機(jī)油和空氣兩相的體積分?jǐn)?shù)之和為1，并且它們之間有分界面，如果用相函數(shù)F表示機(jī)油的體積分?jǐn)?shù)。

圖2 冷卻油腔形狀

相函數(shù)F為：

對(duì)流輸運(yùn)方程為：

式中：為控制單元流體速度。

動(dòng)量方程為：

式中：ρ為控制單元密度，μ為動(dòng)力粘度，p為控制單元壓力，為表面張力等效體積力，為重力加速度。

能量方程為：

式中：k為有效熱導(dǎo)率，Cp為定壓比熱，T為單元溫度。

2 油腔截面形狀對(duì)傳熱性能的影響

2.1 一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)三種截面形狀油腔傳熱性能對(duì)比

如圖3為轉(zhuǎn)速2000r/min、行程100mm、充油率50%的不同曲軸轉(zhuǎn)角下三種油腔壁面平均換熱系數(shù)的變化規(guī)律。從圖3中可以看出，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)三條曲線都呈現(xiàn)高低起伏的變化趨勢(shì)。對(duì)比這三條曲線可以得出，水滴形油腔的壁面平均換熱系數(shù)高于橢圓形的換熱系數(shù)，橢圓形油腔的換熱系數(shù)高于圓形的換熱系數(shù)，說(shuō)明水滴形內(nèi)冷油腔的振蕩冷卻效果最好，其次是橢圓形油腔，圓形的振蕩冷卻效果最差。

圖3 一個(gè)循環(huán)內(nèi)三種截面形狀油腔的傳熱性能對(duì)比

2.2 不同轉(zhuǎn)速條件下三種截面形狀油腔的傳熱性能對(duì)比

為了在不同轉(zhuǎn)速下分析圓形、橢圓形和水滴形的內(nèi)冷油腔形狀對(duì)振蕩冷卻效果的影響，設(shè)置活塞的行程為100mm，充油率為50%，轉(zhuǎn)速在1500r/min～2500r/min之間變化，其他參數(shù)的設(shè)置相同，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比三種油腔形狀的振蕩冷卻效果，其壁面平均傳熱系數(shù)如圖4所示。

圖4 不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速條件下三種截面油腔的平均傳熱系數(shù)

從圖4中可以看出，不同轉(zhuǎn)速下三條曲線的變化趨勢(shì)一致。比較這三條曲線可知，同一轉(zhuǎn)速下，圓形內(nèi)冷油腔的壁面平均換熱系數(shù)最小，其次是橢圓形內(nèi)冷油腔的壁面平均換熱系數(shù)，水滴形內(nèi)冷油腔的壁面平均換熱系數(shù)最大，隨著轉(zhuǎn)速的變化，圓形內(nèi)冷油腔的壁面平均換熱系數(shù)仍然是最小的，水滴形內(nèi)冷油腔的壁面換熱系數(shù)仍然是最大的，說(shuō)明了這三種截面形狀中水滴形內(nèi)冷油腔換熱效果最好，這是由于水滴形油腔比圓形和橢圓形油腔更加偏向于細(xì)長(zhǎng)型，這種細(xì)長(zhǎng)型的內(nèi)冷油腔在活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中，油腔中的機(jī)油振蕩流動(dòng)速度增大，可以更好地形成紊流，從而帶走更多活塞頂部的熱量，提高了換熱效果。

2.3 不同行程條件下三種截面形狀油腔的傳熱性能對(duì)比

為了在不同行程下分析圓形、橢圓形和水滴形的內(nèi)冷油腔對(duì)振蕩冷卻效果的影響，設(shè)置活塞的行程分別為60mm、100mm和140mm，轉(zhuǎn)速為2000r/min，其他參數(shù)設(shè)置與上節(jié)相同，來(lái)對(duì)比三種油腔形狀的振蕩冷卻效果。

圖5為不同行程下三種形狀內(nèi)冷油腔壁面平均換熱系數(shù)的變化曲線圖。從圖中可以看出，不同轉(zhuǎn)速下三條曲線的變化趨勢(shì)一致。對(duì)比這三條曲線可以得出，隨著行程的變化，圓形內(nèi)冷油腔的壁面平均換熱系數(shù)整體上是最小的，其次是橢圓形內(nèi)冷油腔的壁面平均換熱系數(shù)，水滴形內(nèi)冷油腔的壁面平均換熱系數(shù)整體上是最大的，這說(shuō)明了在不同的行程下，水滴形的換熱效果最好。

圖5 不同曲軸行程條件下三種截面油腔的平均傳熱系數(shù)

3 結(jié)論

針對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻油腔的截面形狀對(duì)冷卻效果的影響開(kāi)展研究，采用數(shù)值模擬的方法分別研究了圓形、橢圓形和水滴形三種冷卻油腔截面形狀的活塞在一個(gè)振蕩冷卻周期內(nèi)，壁面平均傳熱系數(shù)的變化規(guī)律，并且在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、曲軸行程條件下對(duì)比了三種油腔截面的壁面平均傳熱系數(shù)，結(jié)果表明，水滴形截面形狀具有最佳傳熱效果，在發(fā)動(dòng)機(jī)活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以選用。