胡雪芳，陳肖媛

(青島黃海學(xué)院，山東 青島 266427)

引言

目前，防爆柴油機在齒輪車、單軌吊、提升機等煤礦運載機械中的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]，且表現(xiàn)出良好的安全性和可靠性，因此在特定的領(lǐng)域內(nèi)(軌道機車等)逐漸取代了蓄電池[3]。根據(jù)《煤礦井下防爆柴油機通用技術(shù)》的相關(guān)規(guī)定可知：防爆柴油機必須具有強制冷卻功能[4]，以確保柴油機的任一部位表面溫度在任何負載條件下均不得超過150 ℃。由此可見，防爆柴油機對傳熱性能的要求非常嚴格?；钊鳛殛P(guān)鍵的熱載荷承載元件，長期承受著連續(xù)升溫和降溫的熱疲勞載荷[5]，易產(chǎn)生熱蝕、熱裂紋等缺陷，加速磨損。根據(jù)防爆柴油機的工作要求，優(yōu)選活塞的冷卻方法為腔內(nèi)水冷。相比于柴油機活塞的油冷方式，水冷的吸熱能力更強，而且可通過儲油槽反檢查密封活塞的任何泄漏。但是，由于水的比熱容較大，在強制換熱過程中，容易導(dǎo)致局部溫度梯度過大，加重?zé)崞?。因此，對活塞換熱性能和熱載荷響應(yīng)特性的研究是非常必要的。目前，在國內(nèi)外內(nèi)燃機水冷研究方面，具有代表性的有：黃云龍等[6]對雙缸四沖程水冷發(fā)動機進行了數(shù)值模擬，表明水冷方式滿足功率要求；姬慧勇等[7]設(shè)計出一種水冷式內(nèi)燃機快速降溫機構(gòu)，可在內(nèi)燃機停止運轉(zhuǎn)時通過外力驅(qū)動冷卻系統(tǒng)繼續(xù)工作；FABIO等[8]研究了發(fā)動機活塞的水冷噴射性能，得出影響散熱效果的噴射參數(shù)。

1 活塞傳熱特性分析

1.1 CFD模型建立

在熱載荷處理方面，防爆柴油機活塞增設(shè)環(huán)道式冷卻腔，通過水的循環(huán)實現(xiàn)降溫。隨著柴油機曲軸的周期性轉(zhuǎn)動，活塞內(nèi)冷卻腔將以強制對流換熱的形式進行散熱。為此，選用Dittus-Boelter方程式作為腔內(nèi)熱量傳遞的計算依據(jù)。該方程基于雷諾數(shù)和普朗特數(shù)來表達平均換熱系數(shù)，可用于選擇合理的湍流模型，其無量綱形式可表示為:

Nuf=0.023Re0.8Pr0.4

(1)

式中，Nuf—— 努塞爾數(shù)

Re—— 雷諾數(shù)

Pr—— 普朗特數(shù)

防爆柴油機活塞內(nèi)的冷卻水為典型的氣液兩相流狀態(tài)[7-11]，根據(jù)初步計算可知，在循環(huán)過程中的雷諾數(shù)大于10000，普朗特數(shù)在[0.7, 120]范圍內(nèi)，且腔內(nèi)入口長度與當(dāng)量直徑的比值大于60。因此，在流體動力學(xué)分析時，為避免物理損失和體積缺陷，優(yōu)先采用VOF 模型和 Level Set模型相結(jié)合的方法處理兩相流運算，通過有限元分析軟件Fluent內(nèi)的求解器實現(xiàn)。由于冷卻環(huán)道較為復(fù)雜，不利于確保網(wǎng)格質(zhì)量和計算效率，因此略去對流體流動影響較小的倒角結(jié)構(gòu)，建立活塞的剖切結(jié)構(gòu)和腔內(nèi)的流體模型及其半模型，如圖1所示。在柴油機曲軸運動過程中，腔內(nèi)冷卻流體的運動狀態(tài)呈現(xiàn)出周期性變化，因此只需建立流體1/4模型即可，通過ICEM劃分網(wǎng)格，如圖2所示，活塞頂位置處的換熱面分別定義為A面和B面。

圖1 活塞及腔內(nèi)流場分析模型

圖2 流體1/4模型網(wǎng)格劃分

1.2 兩相流分析

兩相流的狀態(tài)可有效地反應(yīng)出活塞瞬時的換熱狀態(tài)，因此分析液相比例的變化特性是非常有必要的。由于溫度較高，因此在兩相流計算時，不考慮空氣在水中的溶解度，氣相與液相的體積分數(shù)均為獨立的變量參數(shù)，且兩者之間的求和始終為1。湍流模型的合理性是決定CFD模型計算精度的關(guān)鍵[12]。針對防爆柴油機活塞內(nèi)冷卻水的工作參數(shù)，優(yōu)先選用SSTk-ω湍流模型。該模型以邊界層內(nèi)黏性底層的運動方程為核心，可有效地保證湍流模型的魯棒性，同時降低入口段結(jié)構(gòu)參數(shù)對湍動參數(shù)影響的敏感性，相比k-ε湍流模型更適用于振蕩性流體的計算。

液相比例決定了局部換熱效果，而活塞的速度和加速度對液相比例有著關(guān)鍵的影響。為確保冷卻流體入口狀態(tài)的真實性，根據(jù)曲軸周期運動參數(shù)，基于UDF方法設(shè)定入口段流體速度保持正弦特性。在速度幅值為1 m/s條件下進行兩相流分析，可得出不同曲軸角位移條件下的液相比例如圖3所示。隨著柴油機曲軸角位移的增大，冷卻腔內(nèi)液相的比例表現(xiàn)出顯著的差異性和周期性；在活塞周期運動的初始階段內(nèi)(曲軸角位移小于60°)，腔內(nèi)不同位置的冷卻水比例均較高，隨著活塞運動趨勢的改變，冷卻腔末端的氣相比例逐漸增大；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角達到150°時，柴油機伸縮套管將大大降低液相速率，使得氣相比例顯著增大；當(dāng)活塞運動至中期階段時，隨著活塞運動速率增大，腔內(nèi)冷卻水受慣性影響顯著，使得冷卻腔末端的氣相比例減小，入口段的氣相比例增大；在活塞運動末期，液相比例分布與活塞周期運動初始階段表現(xiàn)出一致性。

圖3 活塞冷卻環(huán)路中液相比例

1.3 傳熱分析

活塞頂?shù)臒彷d荷是發(fā)生熱損傷[13]的主要因素，因此環(huán)道頂面的換熱效率最為關(guān)鍵。為確保計算結(jié)果的可靠性，分別基于近壁模型與壁面函數(shù)法計算頂面A與頂面B的局部對流換熱系數(shù)c。相比壁面函數(shù)法，近壁模型法對網(wǎng)格的要求更高，因此消耗的計算成本也更大。這兩種方法的參考溫度[14]計算原理不同，壁面函數(shù)以邊界層內(nèi)第一層網(wǎng)格節(jié)點的溫度值作為參考值，而近壁模型法則采用整個平面的平均溫度作為參考值。通過迭代計算，可得出不同頂面的對流換熱系數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角α位移的變化規(guī)律，如圖4所示。不同求解方法對換熱分析結(jié)果的影響非常小，表明構(gòu)建的CFD模型具有較高的可靠性，同時從側(cè)面證明冷卻腔頂面處的氣液混合狀態(tài)較為穩(wěn)定；相比頂面A，頂面B的換熱效率更高，隨著活塞行程的增大，兩平面的對流換熱系數(shù)均表現(xiàn)出顯著的波動性；當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角達到300°時，頂面A和頂面B的對流換熱系數(shù)同時達到峰值，其中頂面B的強制對流換熱系數(shù)超過了7000 W/(m2·K)；總的來看，頂面B的換熱效果受活塞行程的影響更為顯著。

圖4 不同頂面的對流換熱系數(shù)

1.4 冷卻腔結(jié)構(gòu)對傳熱的影響

冷卻腔入口與出口的直徑比ΔL對于冷卻水的流速和液相比例R均有重要的影響，因此，分別在不同的進出口直徑比條件下得出液相比例和內(nèi)腔表面的平均對流換熱系數(shù)如圖5所示。

圖5 不同進出口直徑比條件下的液相比例與平均對流換熱系數(shù)變化規(guī)律

圖5中可以看出，隨著入口直徑的增大，整體的液相比例增大，當(dāng)進出口直徑比大于1時，平均對流換熱系數(shù)c1急劇減小。出口直徑的減小可顯著降低冷卻水的輸出流量，使得較高溫度的水無法及時排除，表現(xiàn)出液相比例增大，但總體的換熱效率降低。根據(jù)液相比例R和平均對流換熱系數(shù)c1的變化規(guī)律可知，應(yīng)優(yōu)選進出口直徑比為1的結(jié)構(gòu)，此時，液相比例大于50%，而且液相振蕩效果[15]顯著，可獲得良好的換熱效果。

冷卻水入口到環(huán)形循環(huán)腔有一段緩沖距離(簡稱進水口長度)，對液相的體積和振蕩流動有著重要的影響。通過數(shù)值模擬，可得出不同進水口長度L條件下的液相比例與平均對流換熱系數(shù)變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 不同進水口長度條件下的液相比例與平均對流換熱系數(shù)變化規(guī)律

圖6中可以看出，隨著進水口長度的增大，液相比例持續(xù)線性增大，但平均換熱系數(shù)表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。較大的進水口長度雖然不會對入口段的流速產(chǎn)生顯著影響，但是會明顯增大液相的體積。因此，可得出結(jié)論，在滿足最佳換熱的要求下，進水口長度存在最優(yōu)值。根據(jù)活塞結(jié)構(gòu)可知，允許的進水口長度范圍為8～12 mm，因此優(yōu)選進水口長度8 mm。

2 熱載荷響應(yīng)分析

2.1 熱機耦合模型建立

防爆柴油機在工作時，活塞的溫度場對應(yīng)力場有重要的影響，兩者相互作用，為典型的耦合關(guān)系[16]，只有采用溫度-位移直接耦合[17-18]的方法才能求解出準(zhǔn)確的熱載荷響應(yīng)結(jié)果。因此，基于ANSYS中的溫度-應(yīng)力耦合模塊，分析活塞在預(yù)緊力作用下的受載特性?；钊饕獠枯d荷變化規(guī)律如圖7所示，為研究極限條件下的活塞熱載荷響應(yīng)，需對模型施加最大的外部載荷。

圖7 載荷施加變化規(guī)律

在載荷與邊界條件設(shè)置方面，定義如下：

(1)定義面接觸特性，螺栓表面與螺紋孔采用綁定連接方式，預(yù)施加20%的預(yù)緊力，試運算模型的收斂性，若不收斂，調(diào)整網(wǎng)格尺寸和載荷步長；

(2)根據(jù)實際工況設(shè)定100%的預(yù)緊力，導(dǎo)入活塞內(nèi)腔的溫度場分布；

(3)根據(jù)活塞運動規(guī)律施加慣性力和氣體力(腔內(nèi)壓力)。

2.2 熱應(yīng)力與熱變形分析

在熱機耦合條件下，可得出活塞的應(yīng)力分析結(jié)果如圖8所示。活塞表面最大的應(yīng)力值為241 MPa，施加預(yù)緊力的螺栓表面應(yīng)力峰值為393.87 MPa，均滿足材料的許用強度；活塞頂部的應(yīng)力分布較為均衡，未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，表明活塞頂部的散熱效果良好；在防爆柴油機活塞的短裙設(shè)計條件下，群部的應(yīng)力值相對較小，整體穩(wěn)定性較高；螺栓受剪應(yīng)力作用明顯，但由于熱載荷屬于典型的低頻作用力，因此對螺栓的疲勞特性不會產(chǎn)生明顯的影響；活塞頂部平面的應(yīng)力分布具有顯著的規(guī)律性，其應(yīng)力值沿著徑向方向表現(xiàn)出先增大后減小，再增大的變化趨勢，這是因為活塞頂部溫度較高，熱膨脹后對活塞中心產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力作用，而靠近冷卻腔的表面具有較大的溫度梯度，使得溫度不均衡。

圖8 應(yīng)力分析結(jié)果

活塞的熱變形分析結(jié)果如圖9所示。活塞的最大熱變形為0.71 mm，位于活塞群部外緣下側(cè)，該位置不但受熱載荷影響顯著，而且受缸內(nèi)壓力作用明顯；從徑向方向來看，熱膨脹量隨著半徑的增大表現(xiàn)出遞增變化。

圖9 變形分析結(jié)果

2.3 對活塞群線的影響

為研究載荷在活塞群部型線的影響，將活塞群部外沿不同節(jié)點的熱變形導(dǎo)出，得出活塞群線變化規(guī)律，如圖10所示，其中，冷態(tài)型線為活塞的初始型線，熱態(tài)型線為熱載荷響應(yīng)后的型線。

圖10 活塞群線變化規(guī)律

圖10中可以看出，在熱載荷作用下，活塞群線整體的徑向膨脹較為均衡，未出現(xiàn)突變性的變形，表明冷卻腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足活塞工作要求。熱載荷和機械載荷的耦合效應(yīng)并非簡單的疊加，從半徑收縮位置看，熱載荷主要影響活塞頂部的薄壁變形，自身的機械力對其影響非常小。因此，對于更大功率的防爆柴油機，應(yīng)進一步改進活塞頂部的散熱性能。

3 結(jié)論

在礦產(chǎn)開采、隧道開發(fā)等領(lǐng)域，防爆柴油機的安全性和穩(wěn)定性是保證高質(zhì)量、高效率生產(chǎn)的基本前提。基于CFD和熱機耦合方法，對防爆柴油機活塞的熱載荷響應(yīng)進行了數(shù)值模擬與研究，并得出以下結(jié)論：

(1)隨著防爆柴油機曲軸轉(zhuǎn)角的增大，腔內(nèi)冷卻水的體積變化表現(xiàn)出明顯差異性和周期性；在兩相流模型中，近壁模型與壁面函數(shù)法條件下?lián)Q熱分析結(jié)果非常接近，表明冷卻腔頂面處的氣液混合狀態(tài)較為穩(wěn)定；

(2)考慮到冷卻腔內(nèi)液相的振蕩冷卻效果，優(yōu)選進出口直徑比為1和進水口長度為8 mm的腔內(nèi)結(jié)構(gòu)；活塞在熱載荷作用下未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中問題，活塞頂部在熱膨脹影響下，應(yīng)力表現(xiàn)出先增大后減小，再增大的變化趨勢，靠近冷卻腔的表面溫度梯度較大，溫度值相對不均衡；根據(jù)活塞群線整體的徑向變形規(guī)律可知，活塞頂部的變形主要受熱載荷影響。