活塞開式內(nèi)冷油腔振蕩流動(dòng)傳熱特性研究*

曹元福，張衛(wèi)正，楊振宇，原彥鵬，朱海榮

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081; 2.中國北方車輛研究所，北京 100072)

前言

內(nèi)燃機(jī)升功率的不斷提高導(dǎo)致活塞的熱負(fù)荷顯著增加。為保證活塞在高熱負(fù)荷下安全可靠地運(yùn)行，振蕩傳熱作為一種非常高效的強(qiáng)化散熱方式，在高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞中得到廣泛應(yīng)用。

振蕩傳熱最早由S.D.Heron在其1923年的專利中提出，直到20世紀(jì)60年代，研究人員才開始對(duì)振蕩傳熱進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[1]中對(duì)封閉圓柱空腔中的振蕩傳熱進(jìn)行深入實(shí)驗(yàn)研究，提出了振蕩傳熱的無量綱關(guān)聯(lián)式；目前的研究大多進(jìn)行活塞關(guān)鍵位置溫度的測量，通過溫度的對(duì)比來了解內(nèi)冷油腔的振蕩傳熱效果[2-4]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的快速發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)成為研究流體流動(dòng)和傳熱的重要手段。文獻(xiàn)[5]中用數(shù)值模擬方法研究了二維空腔中振蕩傳熱問題。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]中對(duì)內(nèi)冷油腔中的振蕩傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬，但缺乏對(duì)系統(tǒng)的深入研究和分析。

由于開式油冷活塞內(nèi)冷油腔帶有進(jìn)出油口，內(nèi)冷油腔中的傳熱受各種因素的影響，如固定噴嘴的冷卻機(jī)油流量和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等。

本文中用CFD數(shù)值模擬方法，研究了不同轉(zhuǎn)速和機(jī)油流量下開式內(nèi)冷油腔中流動(dòng)特性和傳熱特性，深入分析了機(jī)油通過率、填充率和換熱系數(shù)隨轉(zhuǎn)速和機(jī)油流量的變化規(guī)律，并對(duì)柴油機(jī)活塞冷卻噴嘴的機(jī)油供給量進(jìn)行了改進(jìn)。

1 VOF多相流模型

針對(duì)內(nèi)冷油腔中冷卻機(jī)油、空氣和壁面之間的流動(dòng)傳熱問題，采用VOF多相流模型，其控制方程[8]如下：

(1)

(2)

(3)

式中：αq為第q相流體的體積分?jǐn)?shù)；t為時(shí)間；u為速度；ρ為密度；p表示單元中的壓力；gi為重力加速度；Fi為單元的體力；keff為有效導(dǎo)熱率；E為能量；T為溫度。每個(gè)控制單元內(nèi)第q相流體的體積分?jǐn)?shù)有以下3種情況：(1)αq=0，第q相流體在單元中是空的；(2)αq=1，第q相流體在單元中是充滿的；(3)0<αq<1，單元中包含了第q相流體，第q相流體和一相或者其它多相流體之間有分界面。

2 開式內(nèi)冷油腔CFD模型的建立

2.1 幾何模型和網(wǎng)格模型

圖1示出采用內(nèi)油腔冷卻的國外某柴油機(jī)的活塞及其油腔的示意圖[6]。本文中以某型國產(chǎn)柴油機(jī)活塞為例，首先建立活塞內(nèi)冷油腔三維幾何模型，活塞底部的流體空間區(qū)域簡化成圓柱體，底部的冷卻噴嘴與活塞運(yùn)動(dòng)方向平行，對(duì)準(zhǔn)內(nèi)冷油腔的進(jìn)油口。發(fā)動(dòng)機(jī)具體技術(shù)參數(shù)見表1。

網(wǎng)格模型如圖2所示，對(duì)近壁處網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化。壁面采用Fluent中提供的強(qiáng)化壁面處理。強(qiáng)化壁面處理在壁面網(wǎng)格精度較差時(shí)，采用壁面函數(shù)來處理壁面區(qū)域內(nèi)的速度和溫度分布，壁函數(shù)對(duì)壁面附近的湍流和熱流的計(jì)算比較粗糙；如果壁面網(wǎng)格精度足夠高時(shí)，將采用壁面處理的兩層模型來分別計(jì)算近壁區(qū)域和充分發(fā)展湍流區(qū)內(nèi)的速度和溫度分布。由于近壁區(qū)域的兩層模型是利用另一個(gè)方程封閉壁面的湍流黏性系數(shù)，進(jìn)而求解壁面附近的速度與溫度場，因此具有較高的精度。

參數(shù)數(shù)值缸徑/mm132沖程/mm145壓縮比15單缸功率/kW100

2.2 邊界條件與初始化

(1) 入口邊界條件

計(jì)算區(qū)域噴嘴入口采用速度入口條件。

入口湍流脈動(dòng)動(dòng)能k為

(4)

其中I=0.16Re-1/8

(5)

式中：Ua為平均流動(dòng)速度；I為湍流強(qiáng)度；Re為雷諾數(shù)。

湍流耗散率ε按照下式確定：

(6)

式中：l=0.07L，L為管道特征長度；Cμ為湍流模型的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

(2) 出口邊界條件

內(nèi)冷油腔流場與曲軸箱相連通，假定曲軸箱內(nèi)部氣體壓力變化不大，因此出口采用壓力出口邊界條件。

(3) 壁面邊界條件

首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算得到內(nèi)冷油腔壁面換熱系數(shù)，然后利用有限元軟件得到整個(gè)活塞溫度場。將內(nèi)冷油腔壁面分為4個(gè)區(qū)，如圖3所示。各分區(qū)的壁面溫度數(shù)值取區(qū)域平均值，具體數(shù)值見表2。

壁面分區(qū)G1G2G3G4溫度/K533513493473

(4) 初始化

固定噴嘴從初始時(shí)刻開始往內(nèi)冷油腔中噴射機(jī)油，即在計(jì)算的初始時(shí)刻內(nèi)冷油腔中并沒有機(jī)油，計(jì)算區(qū)域內(nèi)全部為空氣介質(zhì)。

湍流模型選用k-ω模型，多相流模型選擇VOF模型，計(jì)算不同轉(zhuǎn)速和機(jī)油流量等條件下內(nèi)冷油腔中流動(dòng)傳熱特性。轉(zhuǎn)速分別選取1 000、1 500、2 000、2 500和3 000r/min，流量選取1、2和3L/min(噴嘴直徑為2mm、機(jī)油溫度為100℃)，在15種工況下對(duì)開式內(nèi)冷油腔中的振蕩流動(dòng)傳熱進(jìn)行了數(shù)值模擬。

計(jì)算時(shí)監(jiān)測內(nèi)冷油腔中機(jī)油填充率，計(jì)算多個(gè)循環(huán)之后，當(dāng)其只與曲軸轉(zhuǎn)角有關(guān)，循環(huán)與循環(huán)之間的變動(dòng)較小時(shí)，說明內(nèi)冷油腔中機(jī)油流動(dòng)與傳熱處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，取此循環(huán)之后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3 開式內(nèi)冷油腔振蕩流動(dòng)特性分析

3.1 機(jī)油瞬態(tài)振蕩流動(dòng)分布分析

內(nèi)冷油腔置于活塞頭的內(nèi)部，空間十分有限，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，通過實(shí)驗(yàn)手段對(duì)油腔內(nèi)部冷卻機(jī)油流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行觀測，進(jìn)而研究其流動(dòng)特性十分困難。利用數(shù)值模擬的方法則可方便地模擬、觀察和記錄活塞內(nèi)冷油腔中機(jī)油的流動(dòng)和分布狀況，為后續(xù)內(nèi)冷油腔的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖4為轉(zhuǎn)速3 000r/min、機(jī)油流量2L/min工況下內(nèi)冷油腔中機(jī)油瞬態(tài)流動(dòng)分布示意圖，色標(biāo)數(shù)值表示油氣兩相的體積分?jǐn)?shù)，1代表全是機(jī)油，0代表全是空氣。由圖可見：活塞從上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)油積聚在油腔頂部，幾乎沒有機(jī)油從油腔的進(jìn)口和出口流出；當(dāng)活塞快到達(dá)下止點(diǎn)之前時(shí)，活塞減速運(yùn)行，而機(jī)油則在慣性力作用下以較高速度迅速脫離內(nèi)冷油腔的頂部，撞擊到底部；活塞上行時(shí)，機(jī)油大多數(shù)積聚在內(nèi)冷油腔的底部，很容易從內(nèi)冷油腔的出口流出；當(dāng)活塞上行到上止點(diǎn)之前時(shí)，同樣活塞減速運(yùn)行，機(jī)油在慣性作用下保持較高速度，脫離底部撞擊到油腔頂部。

3.2 機(jī)油通過率分析

活塞內(nèi)冷通道機(jī)油通過率定義為

(7)

式中：qout為一個(gè)循環(huán)從油腔出油口流出的機(jī)油流量；qjet為一個(gè)循環(huán)冷卻噴嘴出口的機(jī)油流量。

一般說來，機(jī)油通過率越大越好，即冷卻噴嘴流出的機(jī)油能盡量多地進(jìn)入內(nèi)冷油腔，并且從出油口流出。目前發(fā)動(dòng)機(jī)活塞振蕩冷卻實(shí)驗(yàn)臺(tái)都是把活塞固定在活塞的某個(gè)行程，然后測量活塞靜止?fàn)顟B(tài)下通過內(nèi)冷油腔的機(jī)油流量的多少，進(jìn)而評(píng)定內(nèi)冷油腔設(shè)計(jì)。然而活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)下的機(jī)油通過率與靜態(tài)下的“打靶”實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不同的。

圖5為轉(zhuǎn)速3 000r/min、機(jī)油流量2L/min時(shí)內(nèi)冷油腔進(jìn)口和出口瞬時(shí)機(jī)油流量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。由圖可見：活塞在上止點(diǎn)后70°CA速度達(dá)到最大，之后減速慢行，積聚在油腔頂部的冷卻機(jī)油在慣性力作用下脫離頂部并加速下行，大約在上止點(diǎn)后100°CA附近撞擊到油腔底部，這時(shí)大量的機(jī)油從油腔的出口流出，從圖中還可以看出，冷卻機(jī)油在慣性力作用下在入口處發(fā)生回流，此時(shí)也有少量機(jī)油從入口流出；當(dāng)活塞上行時(shí)，大約在上止點(diǎn)前70°CA速度最大，然后減速上行，機(jī)油則在慣性力作用下從油腔底部脫離上行，此時(shí)刻之后未有機(jī)油從油腔的進(jìn)口和出口流出。

對(duì)出口的瞬時(shí)機(jī)油流量進(jìn)行積分可以得到一個(gè)循環(huán)從油腔出油口流出的機(jī)油流量，冷卻噴嘴的機(jī)油流量已知，由式(7)可以求得內(nèi)冷油腔的機(jī)油通過率。圖6給出了機(jī)油通過率隨轉(zhuǎn)速和流量的變化關(guān)系。由圖可見：在相同冷卻機(jī)油流量條件下，隨著轉(zhuǎn)速的提高，機(jī)油通過率呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢；轉(zhuǎn)速相對(duì)較低時(shí)，冷卻機(jī)油受慣性力作用在活塞下止點(diǎn)附近在油腔入口處發(fā)生回流，因發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低慣性力不是很大，回流的機(jī)油流量不是很多，機(jī)油通過率較高；隨著轉(zhuǎn)速的提高，往復(fù)慣性力增大，從油腔入口處回流的機(jī)油流量增多，使得機(jī)油通過率減小；當(dāng)超過某一轉(zhuǎn)速后，往復(fù)慣性力變得很大同時(shí)其作用時(shí)間變得很短，機(jī)油來不及回流，冷卻機(jī)油通過率又繼續(xù)增加。

從圖中還可以看出，在不同轉(zhuǎn)速和冷卻機(jī)油流量下，機(jī)油通過率基本在60%～80%之間變動(dòng)，說明該內(nèi)冷油腔機(jī)油通過率較高。通過在進(jìn)口位置設(shè)置凸臺(tái)，有利于更多的機(jī)油從出口側(cè)流出，從而減小或避免機(jī)油回流，進(jìn)一步增大通過率，這有利于機(jī)油帶走更多的熱量，有效降低活塞的熱負(fù)荷。

3.3 機(jī)油充油率分析

圖7給出了轉(zhuǎn)速3 000r/min、機(jī)油流量2L/min工況下內(nèi)冷油腔中的機(jī)油填充率隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。結(jié)合圖4和圖7可以看出：活塞從上止點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，充油率隨曲軸轉(zhuǎn)角的增大逐漸增大，并在下止點(diǎn)之前達(dá)到最大值，這是由于活塞下行時(shí)機(jī)油積聚在油腔頂部，幾乎沒有機(jī)油從油腔的進(jìn)出口流出，所以填充率逐漸增大；當(dāng)活塞快到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)，活塞減速運(yùn)行，而機(jī)油在慣性作用下以較高速度迅速脫離內(nèi)冷油腔的頂部，撞擊到底部，并且部分機(jī)油從油腔的進(jìn)出口流出，機(jī)油填充率開始減小。

由于內(nèi)冷油腔中的機(jī)油填充率是動(dòng)態(tài)變化的，在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，內(nèi)冷油腔中的機(jī)油填充率在某個(gè)數(shù)值上下波動(dòng)。對(duì)其在一個(gè)周期內(nèi)求算術(shù)平均，將該值作為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速和流量工況條件下的數(shù)值。

填充率與轉(zhuǎn)速和冷卻機(jī)油流量密切相關(guān)。圖8給出了內(nèi)冷油腔機(jī)油填充率隨轉(zhuǎn)速和流量的變化規(guī)律。由圖可見：當(dāng)冷卻機(jī)油流量為1L/min時(shí)，機(jī)油填充率由1 000r/min的40%逐漸下降到3 000r/min的17%；當(dāng)冷卻機(jī)油流量為2L/min時(shí)，機(jī)油填充率由1 000r/min的82%迅速下降到2 000r/min的42%，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過2 000r/min后，機(jī)油填充率下降緩慢；流量增大到3L/min時(shí)，機(jī)油填充率由1 000r/min的82%迅速下降到2 000r/min的74%，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過2 000r/min后，機(jī)油填充率下降迅速。

從總體變化趨勢上看，機(jī)油填充率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而下降。這主要是由于活塞和冷卻噴嘴之間變化的速度引起的。在活塞上行時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度和冷卻噴嘴出口的冷卻機(jī)油速度方向相同，轉(zhuǎn)速提高后，某時(shí)刻活塞速度比冷卻機(jī)油速度大，會(huì)導(dǎo)致在該時(shí)間間隔內(nèi)沒有冷卻機(jī)油進(jìn)入內(nèi)冷油腔，從而導(dǎo)致機(jī)油填充率的下降。

相同轉(zhuǎn)速條件下，隨著冷卻機(jī)油流量的增加，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入內(nèi)冷油腔的冷卻機(jī)油量也增加，因此內(nèi)冷油腔中的機(jī)油填充率增加。特別當(dāng)轉(zhuǎn)速在1 000r/min時(shí)，并且當(dāng)流量由1變?yōu)?L/min后，機(jī)油填充率由36%迅速增大到82%，即使流量繼續(xù)增加，機(jī)油也不能完全充滿內(nèi)冷油腔，填充率穩(wěn)定在82%左右，不再發(fā)生變化。

4 開式內(nèi)冷油腔振蕩傳熱特性分析

圖9給出了內(nèi)冷油腔壁面周期平均換熱系數(shù)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和冷卻機(jī)油流量的變化規(guī)律。由圖可見：隨著轉(zhuǎn)速的升高，內(nèi)冷油腔壁面的循環(huán)平均換熱系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的提高而迅速增大。這主要是由于隨著轉(zhuǎn)速的升高，內(nèi)冷油腔中湍流強(qiáng)度變大，壁面邊界層減薄，壁面區(qū)流體和中心區(qū)流體的混合增強(qiáng)，從而強(qiáng)化了傳熱，使換熱系數(shù)大幅增加。

在低轉(zhuǎn)速區(qū)域，相同轉(zhuǎn)速條件下，增加冷卻機(jī)油流量，內(nèi)冷油腔中的機(jī)油填充率隨之大幅增加，當(dāng)機(jī)油填充率太高時(shí)，冷卻介質(zhì)自由液面與壁面之間的距離縮短，削弱了流體對(duì)壁面的撞擊效應(yīng)，同時(shí)因振蕩產(chǎn)生的湍流混合減弱，換熱系數(shù)反而略有下降。

在高轉(zhuǎn)速區(qū)域，相同轉(zhuǎn)速條件下，冷卻機(jī)油流量較低時(shí)，內(nèi)冷油腔中的機(jī)油填充率較小，導(dǎo)致機(jī)油溫度過高，換熱系數(shù)略有下降，不利于換熱性能的增強(qiáng)。

由前面分析可知，冷卻機(jī)油流量的大小影響內(nèi)冷油腔中的機(jī)油填充率，進(jìn)而影響振蕩傳熱。油腔內(nèi)機(jī)油填充率過高或過低，都會(huì)使振蕩傳熱效果變差，不利于活塞的冷卻，因此要求油腔內(nèi)機(jī)油充油率合理，使得內(nèi)冷油腔中的機(jī)油能夠振蕩起來，使冷卻機(jī)油相對(duì)于內(nèi)冷油腔壁面有相對(duì)較高的速度和湍流強(qiáng)度，從而提高振蕩傳熱系數(shù)。為充分利用振蕩換熱，機(jī)油填充率不要低于30%，也不要高于60%。

5 冷卻噴嘴流量的改進(jìn)

活塞冷卻機(jī)油流量與活塞結(jié)構(gòu)、內(nèi)冷油腔大小、熱負(fù)荷狀況和輸油方式有關(guān)。傳統(tǒng)的冷卻噴嘴設(shè)計(jì)原則為出口機(jī)油速度大于活塞的最大瞬時(shí)速度。

表3給出了活塞冷卻噴嘴的設(shè)計(jì)流量與油束設(shè)計(jì)速度的具體數(shù)值，以及對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速和流量下的機(jī)油填充率仿真分析結(jié)果。從表3可以看出，在概念設(shè)計(jì)階段的機(jī)油流量下，該活塞內(nèi)冷油腔中的機(jī)油填充率普遍高達(dá)70%～80%，說明概念設(shè)計(jì)階段的機(jī)油流量偏高。增加冷卻機(jī)油流量可以降低活塞的熱負(fù)荷，但當(dāng)機(jī)油流量增加到一定數(shù)值以后，冷卻機(jī)油帶走的熱量基本不變，如果繼續(xù)增加機(jī)油流量，反而會(huì)過多地消耗機(jī)油泵的功率，降低柴油機(jī)的熱效率，而且也會(huì)增加活塞的熱應(yīng)力，所以一定要研究最經(jīng)濟(jì)的冷卻機(jī)油流量，對(duì)活塞適度冷卻。

表3 柴油機(jī)冷卻噴嘴設(shè)計(jì)參數(shù)

當(dāng)內(nèi)冷油腔中的機(jī)油填充率在50%左右時(shí)，振蕩冷卻傳熱效果最好，因此以50%機(jī)油填充率作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，重新設(shè)計(jì)活塞冷卻噴嘴機(jī)油流量。圖10給出了固定噴嘴的機(jī)油流量改進(jìn)前后的對(duì)比情況。以50%機(jī)油填充率為設(shè)計(jì)指標(biāo)，改進(jìn)后固定噴嘴的冷卻機(jī)油流量大幅下降，在保證活塞振蕩強(qiáng)化傳熱效果的情況下，同時(shí)減小了泵功損失和熱損失，系統(tǒng)的綜合性能達(dá)到最優(yōu)。

6 結(jié)論

(1) 應(yīng)用CFD模擬活塞內(nèi)冷油腔中的流動(dòng)傳熱，可以在短時(shí)間內(nèi)獲得大量而準(zhǔn)確的信息，便于指導(dǎo)設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

(2) 該活塞內(nèi)冷油腔的機(jī)油通過率在60%～80%，通過在入口處設(shè)置凸臺(tái)，可進(jìn)一步提高機(jī)油通過率。

(3) 相同機(jī)油流量下，機(jī)油填充率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而下降；相同轉(zhuǎn)速條件下，填充率隨著機(jī)油流量增加也迅速增加，最終會(huì)趨于穩(wěn)定，但不會(huì)完全充滿內(nèi)冷油腔。

(4) 內(nèi)冷油腔壁面的循環(huán)平均換熱系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的提高而迅速增大。

(5) 機(jī)油填充率過多或過少會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱性能略有下降，在保證活塞振蕩強(qiáng)化傳熱效果的情況下，以50%機(jī)油填充率為設(shè)計(jì)指標(biāo)，改進(jìn)后冷卻噴嘴的機(jī)油流量大幅下降。

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