張國(guó)銳 石磊 劉曉日 李玉杰

摘要：活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件中的核心部件，且活塞處于高溫環(huán)境下工作，因此活塞的冷卻就顯得尤為重要。增加活塞內(nèi)冷油腔對(duì)活塞進(jìn)行噴油冷卻是降低活塞溫度、改善活塞運(yùn)行工況最為有效的方法。由于活塞在實(shí)際工況中是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此需要采用瞬態(tài)計(jì)算。本研究主要利用ANSYSFLUENT軟件對(duì)活塞噴油冷卻進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同的噴油速度下活塞內(nèi)冷油腔中冷卻油的體積分?jǐn)?shù)，油腔內(nèi)冷卻油的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，油腔的邊界傳熱量的變化規(guī)律。從而得出活塞噴油速度對(duì)油腔傳熱邊界的影響規(guī)律。利用得到的規(guī)律可以為內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)提供合理的建議與解決方案。

Abstract： The piston is the core part of the engine components， and the piston works in high temperature environment， so the cooling of the piston is particularly important. It is the most effective way to reduce the temperature of the piston and improve the working condition of the piston by using the cooling gallery.Because the piston is in motion at the actual working condition， so the transient calculation is needed. In this study， ANSYS FLUENT software is used to simulate the injection cooling of the piston. The volume fraction of cooling oil ， the relative movement speed of the cooling oil in the piston gallery and the heat transfer at the boundary of the piston gallery are studied under different injection speeds. The influence law of cooling oil injection speed on heat transfer boundary of pistongalleryis obtained. The obtained rules can provide reasonable suggestions and solutions for the design of internal combustion engine.

關(guān)鍵詞：活塞;瞬態(tài)模擬;內(nèi)冷油腔;傳熱邊界;噴油速度

Key words： piston;transient simulation;piston gallery;heat transfer boundary;injection velocity

中圖分類號(hào)：TK401? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0009-04

0? 引言

隨著柴油機(jī)功率和性能的提高，柴油機(jī)中的活塞承受更高的熱負(fù)荷，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間，活塞長(zhǎng)時(shí)間遭受周期性的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，并且更高的熱負(fù)荷會(huì)縮短活塞工作壽命[1-3]?；钊谶\(yùn)行過程中過高的熱負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致活塞失效進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)故障[4]，降低活塞熱負(fù)荷最為有效的方法是活塞噴油冷卻[5]。黃鈺期等人[6]通過對(duì)兩相流振蕩的流型進(jìn)行辨識(shí)和分類，發(fā)現(xiàn)當(dāng)雷諾數(shù)達(dá)到20000以上時(shí)，兩相流振蕩的流動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生明顯變化，流動(dòng)進(jìn)入強(qiáng)湍流狀態(tài)。文均等[7]采用薄膜熱電偶測(cè)溫法和引線式傳輸系統(tǒng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)過渡工況下活塞頂面測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)溫度場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試研究。J.Lv等人[8]通過使用簡(jiǎn)化的可見封閉通道來模擬不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下納米顆粒的流動(dòng)，探索了振蕩流動(dòng)的機(jī)制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD技術(shù)已經(jīng)成為研究發(fā)動(dòng)機(jī)中流動(dòng)與傳熱的重要手段，有效的輔助了活塞熱狀態(tài)的評(píng)估和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。Y. Yong等人[9]建立了一個(gè)帶有動(dòng)網(wǎng)格模型和VOF（流體體積）模型的數(shù)值模型，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油嘴直徑等對(duì)噴油冷卻的影響。山東大學(xué)仲杰等人[10]對(duì)內(nèi)冷油腔的冷卻進(jìn)行了Fluent仿真，研究了活塞處于不同的曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)，內(nèi)冷油腔中的機(jī)油體積分布和機(jī)油質(zhì)量流量。胡定云等人[11]通過CFD建立了活塞振蕩油腔瞬態(tài)計(jì)算模型，利用Fluent動(dòng)網(wǎng)格法模擬活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真，分析了機(jī)油流動(dòng)形態(tài)及傳熱情況和壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等的變化規(guī)律。Torregrosa等人[12]對(duì)活塞內(nèi)冷油腔的傳熱過程進(jìn)行了研究，并獲得了影響傳熱系數(shù)的相關(guān)因素的特性。張衛(wèi)正等人[13]通過運(yùn)用CFD方法對(duì)活塞噴油冷卻進(jìn)行了瞬態(tài)模擬，得到了不同轉(zhuǎn)速下冷卻油腔的機(jī)油填充率等參數(shù)隨曲軸角度變化的規(guī)律。

本文研究主要是采用數(shù)值模擬的方法，通過建立活塞內(nèi)冷油腔的VOF模型，采用動(dòng)網(wǎng)格的辦法，針對(duì)不同的噴油速度與活塞速度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，最終得出噴油速度對(duì)活塞內(nèi)冷油腔瞬態(tài)機(jī)油體積分?jǐn)?shù)、流動(dòng)速度和傳熱邊界的影響。

1? 模型建立

在整個(gè)活塞噴油冷卻過程中，內(nèi)冷油腔中的空氣、冷卻油、油腔壁面之間會(huì)互相產(chǎn)生對(duì)流換熱。但是起主要作用的是冷卻油，冷卻油與活塞的換熱量遠(yuǎn)大于其他形式之間的換熱。所以本文主要考慮冷卻油與活塞之間的換熱，不考慮其他形式的換熱。本文采用兩相流來對(duì)內(nèi)冷油腔機(jī)油流動(dòng)情況進(jìn)行研究[14，15]。且模型的建立基于以下四種假定條件，J.Pan等人[16]和W.Zhang等人[17]所得出的結(jié)論表明以下四種假定是合理的：

①在給定的發(fā)動(dòng)機(jī)工況中，入口溫度恒定;

②假定多相流中的氣相與液相之間沒有能量轉(zhuǎn)換;

③氣體適用于理想氣體定律，冷卻油為不可壓縮且不蒸發(fā)的粘性流體;

④假定液相油沒有發(fā)生相變。

1.1 VOF模型

VOF模型應(yīng)用于兩種或兩種以上互不相容且不發(fā)生相變的流體，通過追蹤區(qū)域內(nèi)各個(gè)流體的體積分?jǐn)?shù)來模擬多相流。函數(shù)F表示在計(jì)算區(qū)域中液相的體積分?jǐn)?shù)，且在每個(gè)控制單元中液相與氣相的體積分?jǐn)?shù)之和是1。VOF模型在整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)對(duì)互不相容的兩相進(jìn)行同一動(dòng)量方程組的求解。F函數(shù)的定義如下：

函數(shù)F的對(duì)流運(yùn)輸方程如下所示：

式中v是每個(gè)單元格內(nèi)的流體速度。

1.2 k-ε湍流模型

k-ε湍流模型是計(jì)算流體力學(xué)中最常應(yīng)用的模型，本次計(jì)算中也應(yīng)用了k-ε模型，其中湍流動(dòng)能k及其耗散率ε由下列輸運(yùn)方程得出：

式中，Gk表示由于平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能。Gb是湍流動(dòng)能，根據(jù)k-ε模型中浮力對(duì)湍流的影響進(jìn)行計(jì)算。C1ε，C2ε和C3ε是常量。σk和σε分別是k和ε的湍流普朗特?cái)?shù)。

2? 控制方程

2.1 動(dòng)量方程

求解控制單元內(nèi)的單一動(dòng)量方程時(shí)，各個(gè)相的速度場(chǎng)是共享的，計(jì)算公式如下：

在上式中p為控制單元的壓力，τxx、τxy、τxz為粘性力τ的分量，ρ為流體密度。

2.2 能量方程

求解整個(gè)區(qū)域的能量方程如下所示：

在上式中k為有效熱導(dǎo)率，Cp是比定壓熱容，T為溫度，ρ為流體密度。

3? 網(wǎng)格處理及邊界條件

3.1 網(wǎng)格處理

活塞下止點(diǎn)位置的網(wǎng)格模型如圖1所示，入口設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為壓力出口。

活塞的運(yùn)動(dòng)形式較為單一，針對(duì)活塞特定的運(yùn)動(dòng)形式，在Fluent中選擇動(dòng)態(tài)層方法劃分動(dòng)網(wǎng)格。Fluent中提供了活塞運(yùn)動(dòng)模型（即In-Cylinder模型），激活活塞運(yùn)動(dòng)模型，設(shè)置活塞轉(zhuǎn)速為1900r/min，起始曲軸轉(zhuǎn)角為180°，此時(shí)活塞位于下止點(diǎn)。

3.2 邊界條件

計(jì)算區(qū)域入口處采用速度入口，因?yàn)橐剿鲊娪退俣葘?duì)活塞油腔瞬態(tài)流動(dòng)傳熱的影響，因此選用27m/s，23.5m/s，20m/s，16.5m/s，13m/s的噴油速度。因?yàn)橛颓慌c曲軸箱是聯(lián)通的，曲軸箱內(nèi)部氣體壓力變化不明顯，因此計(jì)算區(qū)域出口處選擇的是壓力出口邊界條件。利用Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

初始時(shí)刻油腔內(nèi)部均為空氣，入口油的溫度設(shè)為368K，采用動(dòng)態(tài)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算過程中，采用監(jiān)控機(jī)油填充率來判斷計(jì)算結(jié)果是否可用。當(dāng)機(jī)油填充率只與曲軸轉(zhuǎn)角有關(guān)，且各個(gè)循環(huán)之間變動(dòng)較小時(shí)，可認(rèn)為此計(jì)算結(jié)果有效，取此次計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

4? 結(jié)果分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間，不同的輸出功率需要不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，本文主要研究1900r/min的轉(zhuǎn)速下不同噴油速度對(duì)油腔傳熱邊界的影響，此轉(zhuǎn)速下活塞運(yùn)行最大速度為16m/s。對(duì)環(huán)形內(nèi)冷油腔沿活塞軸向方向進(jìn)行剪切獲得兩個(gè)截面，對(duì)截面上的冷卻油體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行積分，并與截面積作比值得到冷卻油的平均體積分?jǐn)?shù)，以此作為油腔內(nèi)的冷卻油體積分?jǐn)?shù)。圖2為不同的噴油速度下內(nèi)冷油腔內(nèi)冷卻油的體積分?jǐn)?shù)。

由圖2可知，冷卻油體積分?jǐn)?shù)大致呈先增加后降低再增加的趨勢(shì)，這是因?yàn)榛钊麖纳现裹c(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)時(shí)，活塞與冷卻油相向而行，此時(shí)冷卻油能較好的充入內(nèi)冷油腔中。圖2所示為不同的噴油速度下內(nèi)冷油腔中冷卻油的體積分?jǐn)?shù)。噴油速度為13m/s時(shí)冷卻油體積分?jǐn)?shù)最大值為12.1%，出現(xiàn)在90°，最小值為8.6%，出現(xiàn)在270°。噴油速度為16.5m/s時(shí)冷卻油體積分?jǐn)?shù)最大值為12.9%，出現(xiàn)在180°，此時(shí)的冷卻油體積分?jǐn)?shù)與90°時(shí)大小相當(dāng)，最小值為10.5%，出現(xiàn)在270°。噴油速度為20m/s時(shí)冷卻油體積分?jǐn)?shù)最大值為12.9%，出現(xiàn)在180°，最小值為12%，出現(xiàn)在270°。噴油速度為23.5m/s時(shí)冷卻油體積分?jǐn)?shù)最大值為13.2%，出現(xiàn)在90°，最小值為12.6%，出現(xiàn)在270°。噴油速度為27m/s時(shí)冷卻油體積分?jǐn)?shù)最大值為13.2%，出現(xiàn)在270°與360°，最小值為13.1%，出現(xiàn)在180°。在機(jī)油體積分?jǐn)?shù)方面，本文所研究的轉(zhuǎn)速1900r/min工況與X.Deng等人[2]所研究的1800r/min工況呈現(xiàn)類似規(guī)律，即活塞由上止點(diǎn)運(yùn)行到下止點(diǎn)過程中，機(jī)油體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，由下止點(diǎn)運(yùn)行到上止點(diǎn)過程中，呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。

分析圖2中的曲線可知，最小值點(diǎn)多出現(xiàn)于270°，這是因?yàn)榛钊上轮辽线\(yùn)動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)冷卻油追不上活塞的現(xiàn)象，因此，噴油速度不能過低。20m/s到27m/s的噴油速度之間，雖然體積分?jǐn)?shù)有所增加，但是增加的幅度不明顯。冷卻油的體積分?jǐn)?shù)代表了油腔內(nèi)冷卻油占整個(gè)油腔容積的百分比，當(dāng)冷卻油的體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，油的破裂成油滴的程度會(huì)更加劇烈，但是由于油滴數(shù)量過少導(dǎo)致油滴不能夠與油腔內(nèi)壁面進(jìn)行充分的熱交換，最終達(dá)不到理想散熱效果。隨著噴油速度的增加，油腔內(nèi)冷卻油體積分?jǐn)?shù)也會(huì)增加，但是此時(shí)油腔內(nèi)大部分充滿的都是冷卻油，冷油不能很好的破裂成油滴，這就導(dǎo)致了不良的散熱效果。綜上所述，噴油速度應(yīng)該保持在一個(gè)合理范圍內(nèi)。

圖3所示為不同噴油速度下油腔內(nèi)冷卻油的速度差代數(shù)值，冷卻油在進(jìn)入油腔后，往兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)環(huán)形內(nèi)冷油腔沿活塞軸向方向進(jìn)行剪切獲得兩個(gè)截面，進(jìn)一步計(jì)算獲得各個(gè)截面的冷卻油平均速度，將兩個(gè)截面的冷卻油平均速度作差并取絕對(duì)值作為速度差代數(shù)值。圖4所示為不同噴油速度下油腔內(nèi)冷卻油的速度差相對(duì)值，速度差相對(duì)值由速度差代數(shù)值與最大冷卻油平均速度作比值得到。數(shù)值越大，左右兩側(cè)冷卻油的流動(dòng)越不均勻，同時(shí)換熱程度也就越不均勻。在13m/s與20m/s的噴油速度之間，活塞從上止點(diǎn)開始運(yùn)行到下止點(diǎn)前，靠近入口側(cè)的冷卻油速度大于靠近出口側(cè)的冷卻油速度，而從下止點(diǎn)開始到上止點(diǎn)前靠近出口側(cè)的冷卻油速度大于靠近入口側(cè)的冷卻油速度。在23.5m/s與27m/s噴油速度之間，靠近出口側(cè)的冷卻油速度均大于入口側(cè)的冷油速度。在13m/s時(shí)，速度差代數(shù)值最大值為1.417m/s，出現(xiàn)在270°，最小值為0.171m/s，出現(xiàn)在180°。在16.5m/s時(shí)，速度差代數(shù)值度最大值為1.379m/s，出現(xiàn)在270°，最小值為0.447m/s，出現(xiàn)在90°。在20m/s時(shí)，速度差代數(shù)值最大值為1.469m/s，出現(xiàn)在270°，最小值為0.081m/s，出現(xiàn)在90°。在23.5m/s時(shí)，速度差代數(shù)值最大值為1.331m/s，出現(xiàn)在270°，最小值為0.007m/s，出現(xiàn)在90°。在27m/s時(shí)，速度差代數(shù)值最大值為1.692m/s，出現(xiàn)在270°，最小值為0.66m/s，出現(xiàn)在90°。圖4中冷卻油的速度差相對(duì)值最大值點(diǎn)均出現(xiàn)在270°，最小值點(diǎn)均出現(xiàn)在90°與180°，且只有13m/s時(shí)的最小值點(diǎn)出現(xiàn)在180°。

圖5為不同噴油速度下邊界傳熱量，分析可知，在噴油速度為13m/s時(shí)，邊界傳熱量最大值為0.19kw/m2，出現(xiàn)在180°，最小值為0.106，出現(xiàn)在360°。在噴油速度為16.5m/s時(shí)，邊界傳熱量最大值為0.237kw/m2，出現(xiàn)在180°，最小值為0.116，出現(xiàn)在360°。在噴油速度為20m/s時(shí)，邊界傳熱量最大值為0.264kw/m2，出現(xiàn)在180°，最小值為0.143kW/m2，出現(xiàn)在360°。在噴油速度為23.5m/s時(shí)，邊界傳熱量最大值為0.304kW/m2，出現(xiàn)在180°，最小值為0.165，出現(xiàn)在0°。在噴油速度為27m/s時(shí)，邊界傳熱量最大值為0.331kW/m2，出現(xiàn)在180°，最小值為0.185kW/m2，出現(xiàn)在0°。綜上所述，邊界傳熱量的最大值點(diǎn)都出現(xiàn)在180°，最小值點(diǎn)均出現(xiàn)在0°或者360°，也就是上止點(diǎn)位置。

5? 結(jié)論

①活塞內(nèi)冷油腔的冷卻效果受冷卻油的噴油速度影響較大，要獲得較好的冷卻效果，冷卻油的噴油速度必須保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。②同一轉(zhuǎn)速下，隨著噴油速度的增加，內(nèi)冷油腔內(nèi)的冷卻油體積分?jǐn)?shù)與邊界傳熱量也隨之增加，當(dāng)噴油速度增加到一定程度時(shí)，內(nèi)冷油腔內(nèi)的冷卻油體積分?jǐn)?shù)與邊界傳熱量的增長(zhǎng)幅度不再隨著噴油速度的增加出現(xiàn)明顯的變化。

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