陶正勇 唐華 韋世寶

針對某柴油機(jī)機(jī)油冷卻器水道阻力較大，影響到發(fā)動機(jī)工作性能的問題，采用三維計算機(jī)流體動力學(xué)（CFD）軟件對機(jī)油冷卻器進(jìn)行流場分析及阻力模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，找到流體阻力大的原因，對模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。對優(yōu)化后的模型進(jìn)行再次模擬，以確定最優(yōu)方案，并對優(yōu)化后樣品進(jìn)行阻力測試，以驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為后續(xù)機(jī)油冷卻器的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。關(guān)鍵詞：機(jī)油冷卻器;分流;分隔;流動阻力;芯子;試驗

0 前言

潤滑油路是決定柴油機(jī)使用壽命的關(guān)鍵因素之一。潤滑油路除了潤滑功能外，還可以確保發(fā)動機(jī)部件的冷卻和防蝕。機(jī)油冷卻器是保證潤滑油路正常工作的關(guān)鍵因素，機(jī)油冷卻器通常由發(fā)動機(jī)冷卻液在其中進(jìn)行冷卻。冷卻器必須合理設(shè)計，以便在最高冷卻液溫度時，也不會出現(xiàn)過高的潤滑溫度。同時，機(jī)油冷卻器需要降低其介質(zhì)流動的阻力，以便降低其對發(fā)動機(jī)功率的損耗[1-4]。

國內(nèi)對機(jī)油冷卻器的研究主要有計算機(jī)流體動力學(xué)（CFD）仿真和試驗研究2種方法。在CFD仿真研究方面，蘇峰華等[5]采用多尺度的方法對機(jī)油冷卻器進(jìn)行了多工況的數(shù)值模擬。李雷等[6]采用一維和三維聯(lián)合仿真的方法對機(jī)油冷卻器的水路匹配進(jìn)行了計算。秦萌等[7]采用FLUENT仿真軟件分析了某車型機(jī)油冷卻器左右兩側(cè)的流體流動過程。童寶宏等[8]將試驗方法和仿真方法相結(jié)合，基于反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，分析了不同油溫對冷卻器流量特性的影響。龐威等[9]采用CFD方法優(yōu)化改進(jìn)了機(jī)油冷卻器的水套。在試驗研究方面，鐘勛等[10]采用試驗的方法研究了納米流體對車用機(jī)油冷卻器的強(qiáng)化換熱效果。王迎新等[11]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，不一樣的生產(chǎn)工藝會導(dǎo)致機(jī)油冷卻器有明顯的差異，尤其是阻力特性和傳熱性能。周輝志等[12]通過試驗對機(jī)油冷卻器進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效降低了動力總成的阻力。

這些對機(jī)油冷卻器的CFD仿真研究和試驗研究都為本文提供了有益的參考。本文以某機(jī)油冷卻器出現(xiàn)高水阻為研究對象，通過三維CFD數(shù)值模擬獲得其流阻特性，找到引起高水阻的原因。研究人員針對具體問題設(shè)計改進(jìn)方案，再通過三維CFD數(shù)值模擬驗證改進(jìn)方案的可行性。后期，研究人員對該機(jī)油冷卻器樣件進(jìn)行了臺架試驗，獲得其流阻特性的試驗數(shù)據(jù)，驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 機(jī)油冷卻器的結(jié)構(gòu)和性能

本文研究了1款機(jī)油冷卻器的水路阻力狀況。該機(jī)油冷卻器采用板翅式散熱片的方式進(jìn)行機(jī)油冷卻。機(jī)油冷卻器由冷卻芯子、殼體組成，冷卻功率可達(dá)14 kW。該機(jī)油冷卻器的結(jié)構(gòu)尺寸分別為：長260 mm、寬160 mm、高130 mm，其幾何模型如圖1所示，冷卻芯子模型如圖2所示，殼體模型如圖3所示。

2 幾何模型仿真

研究人員將機(jī)油冷卻器水道內(nèi)腔三維模型導(dǎo)入ANSYS MESHING程序進(jìn)行網(wǎng)格劃分。仿真采用三角形網(wǎng)格類型來初步劃分面網(wǎng)格，選擇網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。網(wǎng)格劃分的高級尺寸控制函數(shù)采用了基于臨近單元和曲率的方法，同時設(shè)置相關(guān)度為高度相關(guān)，并對網(wǎng)格進(jìn)行高度光順和緩慢過度，以保證網(wǎng)格質(zhì)量。模型網(wǎng)格共有19 218 935個單元。模型整體網(wǎng)格情況如圖4所示，模型局部網(wǎng)格情況如圖5所示。

仿真采用三維穩(wěn)態(tài)流動計算。介質(zhì)流動為不可壓縮定常流動。湍流模型選擇可實現(xiàn)k-e模型，壁面函數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。入口流速為2.425 m/s，出口邊界條件采用壓力出口。入口速度為均勻流，方向垂直于入口截面。

3 試驗與仿真分析

3.1 臺架試驗

試驗測試系統(tǒng)如圖6所示。該試驗測試系統(tǒng)由進(jìn)水供給系統(tǒng)和進(jìn)油供給系統(tǒng)2部分組成。進(jìn)水供給系統(tǒng)通過電動控制閥對進(jìn)水流量進(jìn)行控制，進(jìn)水流量為50～500 L/min，水流進(jìn)口溫度為35～105 ℃，穩(wěn)定度控制為±1%，測量精度為±0.35%，最大水流進(jìn)口壓力為280 kPa。進(jìn)油供給系統(tǒng)通過電動控制閥對進(jìn)油流量進(jìn)行控制，進(jìn)油流量為40～250 L/min，潤滑油進(jìn)口溫度為35～120 ℃，穩(wěn)定度控制為±0.5 ℃，測量精度控制為±0.01 ℃，最大入口壓力為600 kPa。

為了驗證仿真方法的合理性和有效性，研究人員按照不同工況對機(jī)油冷卻器樣件進(jìn)行了臺架試驗。研究人員采用高精度試驗臺測量進(jìn)水流量和阻力，為仿真模擬提供依據(jù)。研究人員按照進(jìn)水流量范圍60～140 L/min和流速范圍1.039～2.425 m/s共設(shè)置了5種工況，如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果驗證

圖7 為水側(cè)壓降的仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比曲線。由圖7可見，隨著水流量增加，阻力也逐漸增大。仿真結(jié)果整體數(shù)據(jù)相對測試結(jié)果偏小，這是由于研究人員對仿真模型進(jìn)行了簡化。仿真結(jié)果與試驗變化趨勢總體一致，最大壓降誤差為9.07%，與試驗結(jié)果比較吻合，從而證明了仿真模型的有效性。

3.3 水路改進(jìn)前的仿真結(jié)果

水道壓力分布圖如圖8所示。水道右側(cè)為水流進(jìn)口，進(jìn)水口的壓力為41.43 kPa。水道左側(cè)低壓處為出水口。從圖8可見，從水流進(jìn)口到水流出口處，壓力呈現(xiàn)出明顯的三級階梯遞減，而且高壓區(qū)集中在水道左側(cè)。

圖9為水道整體流場分布圖。從圖9可見，水流進(jìn)入水道后即分為2條支路流動，芯子處的水流量為46.5 L/min，旁通處的水流量為93.5 L/min。在水流出口處有明顯的漩渦。從圖10可以看出漩渦的速度梯度，因為漩渦的原因，水流阻力增大了。在芯子出水口處有2股水流的沖擊區(qū)，從圖11可以看到?jīng)_擊的范圍及水流對沖后的流向。由于水流沖擊的影響，芯子出口處出現(xiàn)了明顯的滯留區(qū)。所以，在水道優(yōu)化設(shè)計時，研究人員需要考慮優(yōu)化整體流場結(jié)構(gòu)，增加分隔板進(jìn)行導(dǎo)流來避免上述問題。圖12為機(jī)油冷卻器改進(jìn)后的模型。

3.4 水路改進(jìn)后仿真結(jié)果

圖13為水道優(yōu)化后整體流場分布圖。過芯子的水流量為58.5 L/min，旁通水流量為81.2 L/min。在經(jīng)過優(yōu)化后，芯子獲得了更多水流量，水流量增加了37.5%，更利于增加散熱量。圖14是芯子支路的導(dǎo)流圖。水從芯子出口出來后直接引流到水道出口，避免了兩股水流對沖。圖15是旁通支路導(dǎo)流圖。從圖15可見，局部還存在有漩渦，但較優(yōu)化前已有明顯改善，而且大部分冷卻水直接導(dǎo)流到了出口。圖16是優(yōu)化后的冷卻器內(nèi)部壓力場分布圖，進(jìn)口壓力為27.58 kPa，水流阻力相對優(yōu)化前降低了50.21%。

3.5 水路改進(jìn)后的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果比較

圖17 為水路改進(jìn)后水側(cè)壓降的仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比曲線。由圖17可見，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果非常吻合，最大壓降誤差為7.57%。隨著水流量的增加，仿真結(jié)果與試驗變化趨勢一致，從而證明了仿真模型的有效性。

4 結(jié)論

研究人員采用三維CFD模擬仿真，進(jìn)行機(jī)油冷卻器水道流場和壓力場分布的計算。通過試驗驗證，將各工況下的仿真結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行比較，兩者吻合良好。研究人員利用仿真軟件模擬冷卻器內(nèi)部水道流動情況，可以直觀看到芯子水路與旁通水路對沖導(dǎo)致動量損失影響了冷卻液流動，壓降增大。根據(jù)仿真結(jié)果，研究人員對水路進(jìn)行改進(jìn)，在芯子水路與旁通水路間設(shè)置分隔板對介質(zhì)進(jìn)行引流。該優(yōu)化方案可以有效降低機(jī)油冷卻器水阻，滿足整機(jī)匹配的要求。

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