活塞噴油冷卻流動和換熱特性的研究*

王　新　劉世英（山東理工大學交通與車輛工程學院　山東　淄博　255091）

活塞噴油冷卻流動和換熱特性的研究*

王新劉世英
（山東理工大學交通與車輛工程學院山東淄博255091）

采用CFD軟件Fluent對某活塞半開式內(nèi)冷油腔的振蕩冷卻進行了三維數(shù)值模擬計算，模擬了不同噴油速度和轉(zhuǎn)速下的半開式內(nèi)冷油腔內(nèi)機油的流動和換熱特性。研究結(jié)果顯示：隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，機油的捕捉率和填充率有所下降；隨著噴油速度的提高，機油的捕捉率和填充率有所提高；內(nèi)冷油腔壁面的平均體積分數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低，但是壁面的循環(huán)換熱系數(shù)卻隨著轉(zhuǎn)速的增加而有所升高，從而得出振蕩可以強化換熱.此模擬結(jié)果可以為活塞的優(yōu)化設(shè)計和溫度場的分析起到指導(dǎo)作用.

活塞內(nèi)冷油腔強化換熱優(yōu)化設(shè)計

引言

隨著內(nèi)燃機功率的不斷增加，導(dǎo)致活塞的熱負荷也隨之增加。因此，廣泛采用帶有內(nèi)冷油腔的活塞，利用冷卻油在油腔里的不斷振蕩以加強冷卻具有重要的實際意義。介于振蕩傳熱在內(nèi)燃機活塞和氣門的工程應(yīng)用背景，對振蕩傳熱問題的研究一直持續(xù)到現(xiàn)在，早期的研究主要通過實驗手段來完成。1965年Bush J.E.等人根據(jù)實驗結(jié)果，提出了基于管流公式的振蕩傳熱的實驗關(guān)聯(lián)式[1]，之后被廣泛用于工程設(shè)計計算。對帶內(nèi)冷油腔的活塞溫度場的計算，早期的時候大多都是通過經(jīng)驗公式來獲得的邊界條件，內(nèi)冷油腔壁面的換熱系數(shù)大多采用Bush公式。隨著計算機技術(shù)和傳熱學的發(fā)展，國內(nèi)外學者開始用CFD軟件來研究流體的流動和傳熱。2003年Hidehiko Kajiwara等人用CFD分析了一個被簡化的內(nèi)冷通道二維模型[2]。2005年Jinfeng Pan和Roberto Nigro等人用CFD工具對三維冷卻通道內(nèi)換熱情況進行了數(shù)值模擬[3]。之后，2010年和2014年北京理工大學的曹元福、張衛(wèi)正等人也用CFD工具做了類似的仿真模擬[4，5]。

本文利用Fluent數(shù)值模擬方法，研究了不同噴油速度和轉(zhuǎn)速下的半開式內(nèi)冷油腔內(nèi)機油的流動和換熱特性，分析了內(nèi)冷油腔的填充率、機油捕捉率、壁面的平均體積分數(shù)和換熱系數(shù)隨著曲軸轉(zhuǎn)角、噴油速度和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，從而為活塞的優(yōu)化和溫度場的分析提供依據(jù)。

1VOF多相流模型

活塞的振蕩冷卻換熱是一個非定常的氣液兩相流流動問題，整個流體區(qū)域包含空氣和機油兩相，且兩相之間互不混合，具有明顯的分界面，因而采用VOF模型。VOF模型，是一種在固定的歐拉網(wǎng)格下的表面跟蹤方法。在VOF模型中，各相之間沒有互相穿插，每增加一相就會引入一個變量即計算單元中相的體積分數(shù)。在每個計算單元中，所有相的體積分數(shù)之和為1。若在每個計算單元中，第q相的體積分數(shù)為φq，則在每個計算單元內(nèi)第q相流體的體積分數(shù)可能會出現(xiàn)三種情況：

1）φq=0，表示此計算單元內(nèi)無第q相流體；2）0＜φq＜1，表示此計算單元內(nèi)含有第q相流體，第q相流體與其他相之間存在分界面；

3）φq=1，表示此計算單元中充滿第q相流體。

VOF多相流的控制方程如下所示[6]：

1.1動量控制方程其中：ρ，μ分別為流體的密度和動力粘性系數(shù)；U= （u，v，w）表示在坐標系X=（x，y，w）中的流體速度；g為重力加速度；FSV為表面張力的等價體積力形式。

在單相流的計算中并沒有表面張力，而在氣液兩相流的數(shù)值模擬中，表面張力的影響作為動量方程的源相加以考慮。

1.2連續(xù)性方程

1.3物性參數(shù)方程其中：θ（x，t）代表了ρ（x，t）、μ（x，t）或其他物性參數(shù)。

2　數(shù)學模型

2.1幾何模型與網(wǎng)格劃分

本文以某型號柴油機活塞為例，首先根據(jù)實際參數(shù)利用UG軟件建立由內(nèi)冷油腔、活塞頂內(nèi)壁空腔及噴油孔組成的三維模型，活塞底部的噴油嘴垂直于內(nèi)冷油腔的入口。內(nèi)冷油腔的CFD幾何模型如圖1所示。

圖1　幾何模型

利用Hypermesh對模型進行網(wǎng)格劃分，采用四面體和棱柱。內(nèi)冷油腔壁面是分析活塞噴油冷卻的重要部分，需要對內(nèi)冷油腔進行細化并在壁面處生成邊界層。內(nèi)冷油腔的網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2　網(wǎng)格模型

2.2邊界條件

噴油孔處為速度入口邊界條件；活塞底部為壓力出口，表壓為0；在內(nèi)冷油腔進、出口設(shè)置監(jiān)測面，定義為interior；各壁面設(shè)置相應(yīng)的溫度邊界條件。

2.3初始化

在Fluent中激活VOF多相流模型，初始時刻，整個計算流體區(qū)域充滿了空氣（第一相），并沒有機油（第二相），所以在計算前必須初始化。

3　振蕩換熱的模擬結(jié)果與分析

在本文中，通過活塞內(nèi)冷油腔油量試驗臺架對計算模型進行了試驗驗證，從而得出了模型的可靠性。而活塞振蕩冷卻換熱是瞬態(tài)過程的計算，故在fluent中需要設(shè)置迭代的時間步長，在計算時時間步長設(shè)為0.5°CA的曲軸轉(zhuǎn)角，每隔30個時間步長（即15°CA的曲軸轉(zhuǎn)角）輸出一個計算結(jié)果（上止點對應(yīng)著曲軸轉(zhuǎn)角是0°CA）。為了確保計算結(jié)果的準確性，在迭代計算中需要監(jiān)測通過內(nèi)冷油腔進、出口機油的質(zhì)量流量，當兩者不再隨活塞循環(huán)運動而變化時認為計算結(jié)果穩(wěn)定。

3.1機油填充率的分析

活塞內(nèi)冷油腔機油填充率的定義：其中：Voil為內(nèi)冷油腔內(nèi)填充機油的體積；Vcc為內(nèi)冷油腔的體積。

圖3給出了在發(fā)動機轉(zhuǎn)速相同（n=1000 r/min）的條件下，內(nèi)冷油腔內(nèi)填充率隨著曲軸轉(zhuǎn)角、噴油速度的變化規(guī)律。從圖3中可以看出，在噴油速度相同的條件下，活塞由上止點向下止點運動，填充率隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大先升高后減小，此時的最大值出現(xiàn)在下止點之前。結(jié)合活塞的速度曲線圖4可以看出，活塞下行時活塞速度先增大后減小，到達下止點時活塞速度為0。由于噴油嘴的噴油速度保持不變，活塞的速度增大，在相同的單位時間內(nèi)，進入到內(nèi)冷油腔的機油量增加，機油大多積聚在內(nèi)冷油腔的頂部，從油腔的進口處回流得也比較少，從而導(dǎo)致機油的填充率升高。隨后活塞的速度減小，在相同的單位時間內(nèi)，進入內(nèi)冷油腔的機油量也隨之減少，機油受慣性的作用迅速脫離油腔的頂部，撞擊在底部，且部分機油也會從內(nèi)冷油腔的進出口流出，從而導(dǎo)致機油的填充率降低。

圖3　不同噴油速度下內(nèi)冷油腔內(nèi)機油填充率隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

圖4　活塞的速度曲線圖

從圖3中還可以得出，隨著噴油速度的提高，整體上內(nèi)冷油腔的填充率也隨之升高。這是由于在轉(zhuǎn)速相同的條件下，隨著噴油速度的提高即機油量的增加，從而導(dǎo)致在單位時間內(nèi)進入內(nèi)冷油腔的機油量也有所提高，進而油腔內(nèi)的機油填充率升高。

圖5給出了在噴油速度相同（v=15.29m·s-1）的條件下，內(nèi)冷油腔內(nèi)填充率隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。從圖5可以得出，從曲線整體的變化趨勢來看，油腔內(nèi)的機油填充率隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高而降低。這是由于活塞的運動速度和噴油嘴的噴油速度之間的相對關(guān)系決定的，噴油速度相同，隨著轉(zhuǎn)速的增加，兩者的相對速度隨之增加，在相同單位時間內(nèi)，噴入到內(nèi)冷油腔的機油量就會減少，因而內(nèi)冷油腔內(nèi)的機油填充率降低。

3.2機油捕捉率的分析

為了評估通過噴油嘴向內(nèi)冷油腔提供機油量，使用了動態(tài)捕捉率ηF，其定義為：其中：qout為內(nèi)冷油腔出口處的質(zhì)量流量（在運動的活塞模型上）；qin為噴油嘴的質(zhì)量流量。

圖6給出了在相同噴油速度（v=15.29m·s-1）下，機油的捕捉率隨著曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。從圖6中可以得出，圖中的三條曲線的整體變化趨勢基本相同，活塞下行時，機油的捕捉率隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大先升高后減小，此時的最大值出現(xiàn)在下止點之前。結(jié)合圖4分析，這是主要由于活塞的速度增大，噴油速度保持不變，在單位時間相同的條件下，進入到內(nèi)冷油腔的機油量隨之增加，那么從油腔出口處流出的機油量也會增加，由捕捉率的定義可以得出機油的捕捉率隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加而升高。之后活塞速度的下降，單位時間內(nèi)進入到油腔的機油量也會降低，則從油腔出口處流出的機油量也會隨之減少，從而得出機油的捕捉率隨著曲軸轉(zhuǎn)角的繼續(xù)增大而降低。

通過對比圖6中的三條曲線，還可以看出隨著轉(zhuǎn)速的增加，機油的動態(tài)捕捉率變化幅度有所增大。對一個活塞循環(huán)的動態(tài)捕捉率求其算術(shù)平均值，可以得出當轉(zhuǎn)速n=1000r/min時對應(yīng)的捕捉率為60.5%，n=2000r/min對應(yīng)的捕捉率為59.2%，n= 3000r/min的捕捉率為56.7%。所以在噴油速度相同的條件下，機油的捕捉率隨著轉(zhuǎn)速的增加而有所降低。這主要是因為隨著轉(zhuǎn)速的提高，從油腔入口處機油回流得多，部分機油來不及噴入油腔，從而使得油腔內(nèi)機油量降低，從油腔出口處流出的機油隨之減少，機油的捕捉率就會降低。

由圖7中的三條曲線，可以看出隨著噴油速度的增加，機油的動態(tài)捕捉率變化幅度有所減少。對一個活塞循環(huán)的動態(tài)捕捉率求其算術(shù)平均值，可以得出對應(yīng)噴油速度v=5.29m·s-1，v=10.26m·s-1，v=15.29 m·s-1的捕捉率依次為56.7%，59.6%，60.5%。所以隨著噴油速度的提高，機油的捕捉率有所增加。從圖7中可以看出，當噴油速度v=5.29m·s-1時，曲軸轉(zhuǎn)角在大約60°～120°CA的范圍內(nèi)，對應(yīng)的動態(tài)捕捉率值是大于100%，出現(xiàn)這種情況的原因是由于噴油嘴噴入到內(nèi)冷油腔中部分機油和油腔中本身貯存的部分機油流出了油腔的出口，這兩個部分機油之和有可能大于噴油嘴噴出的機油量，所以導(dǎo)致某一時刻機油的動態(tài)捕捉率大于100%。

在通常的設(shè)計下，半開式內(nèi)冷油腔捕捉率為50%～60%。而圖6和圖7得出來的一個活塞循環(huán)內(nèi)的機油捕捉率基本上符合設(shè)計的要求。

3.3振蕩換熱特性的分析

圖5　不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下內(nèi)冷油腔內(nèi)機油填充率隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

圖6　不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下內(nèi)冷油腔內(nèi)機油捕捉率隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

圖7　不同的噴油速度下內(nèi)冷油腔內(nèi)機油捕捉率隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

圖8給出了在噴油速度相同的條件下，油腔壁面的平均體積分數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。從圖8可以得到，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的提高，油腔壁面的平均體積分數(shù)有所下降。這主要是由于隨著活塞的上下往復(fù)運動，機油在內(nèi)冷油腔內(nèi)產(chǎn)生高頻振蕩，而隨著轉(zhuǎn)速的提高，機油的振蕩頻率有所提高，機油分布在油腔內(nèi)部的機油量增加，從而導(dǎo)致分布在油腔壁面的機油體積分數(shù)隨之降低。

圖8　不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下油腔壁面的平均體積分數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

圖9給出了在不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，內(nèi)冷油腔壁面的平均換熱系數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。對比圖9中的三條曲線，從整體變化趨勢來看，三條曲線基本相同，在活塞下行時，壁面的平均換熱系數(shù)隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增加先升高后降低，并且是在下止點之前達到最大值。在一個活塞循環(huán)內(nèi)對不同曲軸轉(zhuǎn)角對應(yīng)的平均換熱系數(shù)求其算術(shù)平均值，可以得出隨著轉(zhuǎn)速的增加，一個活塞循環(huán)內(nèi)的平均換熱系數(shù)值分別對應(yīng)2058W·（m2·K）-1，2064W·（m2·K）-1，2199 W·（m2·K）-1。也就是說隨著轉(zhuǎn)速的增加，內(nèi)冷油腔壁面的循環(huán)平均換熱系數(shù)有所提高。結(jié)合圖8分析，雖隨著轉(zhuǎn)速的增加，油腔壁面的平均體積分數(shù)有所減少，但是油腔壁面的循環(huán)平均換熱系數(shù)卻有所提高。這主要是因為機油的高頻振蕩對換熱起到了強化的作用，隨著轉(zhuǎn)速的增加，內(nèi)冷油腔的機油振蕩速度越大，從而導(dǎo)致油腔中機油雷諾數(shù)變大，湍流強度增加，壁面和油腔內(nèi)部的機油混合增強，從而導(dǎo)致循環(huán)換熱系數(shù)的增加。

圖9　不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下油腔壁面的平均換熱系數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律

4　結(jié)束語

通過對活塞噴油冷卻流動和換熱特性的研究分析，可以得出在噴油速度一定的條件下，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加，機油的填充率和捕捉率有所下降；在轉(zhuǎn)速相同的條件下，隨著噴油速度的提高，機油的填充率和捕捉率有所提高；在相同的噴油速度下，內(nèi)冷油腔壁面的平均體積分數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而有所降低，但是油腔壁面的循環(huán)換熱系數(shù)卻隨著轉(zhuǎn)速的增加而升高，說明油腔內(nèi)機油的高頻振蕩可以強化換熱。此數(shù)值模擬的結(jié)果可以為活塞的設(shè)計及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1Bush JE，London A L.Design data forCocktailShaker cooled pistonsand valves[C].SAEPaper650727

2Hidehiko Kajiwara，Yukihiro Fujioka，Hideo Negishi.Predicationoftemperatureon pistonswith coolinggalleryin diesel enginesusing CFD tool[C].SAEPaper 2003-01-0986

3Jinfeng Pan，Roberto Nigro，EduardoMatsuo.3-Dmodeling ofheat transfer in dieselengine piston cooling galleries[C]. SAEPaper2005-01-1544

4張衛(wèi)正，曹元福，原彥鵬，等.基于CFD的活塞振蕩冷卻的流動與傳熱仿真研究[J].內(nèi)燃機學報，2010，28（1）：74～78

5曹元福，張衛(wèi)正，楊振宇，等.活塞開式內(nèi)冷油腔振蕩流動換熱特性研究[J].汽車工程，2014，36（5）：546～551

6車德福，李會雄.多相流及其應(yīng)用[M].西安：西安交通大學出版社，2007

A Study of Flow and Heat Transfer Characteristics about Piston Injection OilCooling

Wang Xin,Liu Shiying Schoolof Traffic and Vehicle Engineering,Shandong University of Technology （Zibo，Shandong，255091,China）

A three-dimensional numerical simulation about oscillation cooling of a half open cooling gallery of piston is conducted by using CFD soft Fluent.The study simulates the oil flow and heat transfer characteristicsofa halfopen cooling gallery under different injection speeds and engine speeds.The result shows the oil capture ratio and filling ratio decline with the increase of engine speed;the oil capture ratio and filling ratio increase as injection speed rises;the average volume fraction of the cooling gallery wall decreaseswith the rise of engine speed.But the cyclic heat transfer coefficient rises as the engine speed increases due to oscillation strengthening heat transfer.The results of the simulation play a guiding role of theoptimized design and the temperatureanalysisof the piston.

Piston,Cooling gallery,Strengthened heat transfer,Optimized design

TK402

A

2095-8234（2015）01-0054-05

王新（1988—），女，碩士研究生，主要研究方向為動力機械工作過程及數(shù)值模擬。

山東省自然科學基金項目（ZR2010EM070）

2014-12-26