基于RPI模型的內燃機冷卻水腔內數值模擬分析

邢鵬

摘要：內燃機冷卻水腔內數值模擬分析是優(yōu)化冷卻水系統(tǒng)、提高冷卻效率的重要手段。結合RPI模型為基礎，通過歐拉模型、沸騰氣泡行為子模型、壁面沸騰傳熱模型、湍流模型等創(chuàng)建，及時進行試驗研究，總結出內燃機冷卻水腔數值波動情況，以此達到冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的目的。

Abstract： Numerical simulation analysis of cooling water chamber of internal combustion engine is an important means to optimize cooling water system and improve cooling efficiency. Based on RPI model， Euler model， sub model of boiling bubble behavior， wall boiling heat transfer model and turbulence model were established. The numerical fluctuation of cooling water cavity of internal combustion engine was summarized to optimize the cooling system.

關鍵詞：內燃機;冷卻系統(tǒng);湍流模型;歐拉模型

Key words： internal combustion engine;cooling system;turbulence model;euler model

中圖分類號：TK124? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0062-02

0? 引言

基于RPI模型的內燃機冷卻水腔內數值模擬分析，主要對冷卻系統(tǒng)在運行過程中，缸蓋鼻梁區(qū)出現換熱方式不當等問題加以解決，特別是內燃機冷卻系統(tǒng)在新技術應用基礎上，運行始終處于高負荷狀態(tài)，這樣一來就需要提高換熱效率。但是在實際冷卻中，因為受熱零部件超長時間運行，熱負荷變化明顯，尤其是氣缸蓋以及活塞等部位，造成內燃機冷卻系統(tǒng)出現異常，運行效率明顯下降，甚至影響到內燃機運行安全。在這種情況下必須加大對內燃機冷卻水腔內數值模擬分析，結合RPI模型，總結出更有效的處理與優(yōu)化方案。

1? 內燃機冷卻水腔內數值模擬分析現狀

內燃機作為工業(yè)生產的重要設備，內燃機運行冷卻處理至關重要。內燃機冷卻水腔內數值模擬分析一直是國內外學者研究的對象，特別是其中的內換熱狀態(tài)相關實驗。針對內燃機鼻梁區(qū)以及活塞部件等方面頻繁受到高熱負荷的影響出現運行異常，董非，苑天林等對此進行核態(tài)沸騰研究，并且合理規(guī)劃核態(tài)沸騰區(qū)域，為后續(xù)冷卻處理明確方向[1]。內燃機運行中，缸蓋受到水腔結構的影響，加上缸蓋本身內部結構復雜，封閉處理特殊，單純采用缸蓋冷卻水研究的方式對沸騰換熱問題解決無法實現，并且消耗較高成本。基于此武志偉結合冷卻水腔內沸騰換熱影響展開模擬研究，利用CFD數值模擬的方式轉換出Chen模型，除此之外還得出BDL模型[2]。陳雪飛，秦國良等人就BDL模型進行完善優(yōu)化，很大程度上將計算精度提高[3]。模型優(yōu)化中涉及大量半經驗公式以及數據等，不斷改善模型分析問題，打破分析局限，尤其是RPI兩相流模型的應用，采取氣泡成核密度以及分離直徑等理論，準確分析兩相流運行狀態(tài)，通過流動狀態(tài)的總結，對內燃機冷卻水腔內數值模擬精確分析。根據兩相流沸騰研究，對其中氣泡形狀加以計算，對兩相流分布有效統(tǒng)計，科學改善內燃機冷卻問題。

2? 創(chuàng)建內燃機冷卻水腔內沸騰傳熱數學模型

內燃機冷卻水腔內數值分析中，必須及時創(chuàng)建沸騰傳熱數學模型，具體涉及到歐拉模型、壁面沸騰傳熱模型、沸騰氣泡行為子模型、湍流模型等。

2.1 歐拉模型分析? 基于內燃機冷卻問題剖析，積極創(chuàng)建歐拉模型，并且根據能量方程，找到其中的連續(xù)性。其中連續(xù)性方程（1），動量方程（2），能量方程（3）。

此次計算中，涉及到速度矢量vq;相同條件下冷卻系統(tǒng)的質量轉移pq、qp;壁面耗散力以及浮升力Fwl，q、FliFt，q;虛擬質量力與外部體積力Fvm，q、Fq;質量源相與應力應變張量Sq、q;湍流離散力與壓力、熱通量Ftd，q、p、qq;原項與相間焓、比定壓熱熔Sq、Qpq=-Qqp、hq;相間熱交換強度Qpq。

2.2 沸騰氣泡行為子模型分析? 通過對內燃機冷卻系統(tǒng)的研究，配合歐拉模型，積極研究沸騰氣泡行為子模型，其中涉及到脫離直徑、密度、脫離頻率、等待時間等元素。其中氣泡脫離直徑模型的創(chuàng)建，主要選擇Tolubinsky研究所得的公式（4）。

計算公式中主要涉及到氣泡的參考直徑d0，取值0.0006m，同時還需要掌握飽和溫度，由此得出氣泡的脫離直徑。

氣泡成核密度模型涉及到的公式（5），主要涉及到兩個數值，n=1.805，m=210。因為其屬于經驗關聯(lián)式，所以在具體應用中還要參考內燃機冷卻具體情況。脫離頻率模型公式為（6），涉及到液相密度、氣相密度，具體為pl，pg，單位為kg/m3。

除此之外還涉及到氣泡等待時間的模型設計，主要選擇Kurl推薦公式（7）。

2.3 壁面沸騰傳熱模型分析? 對于壁面沸騰傳熱模型的創(chuàng)建，由RPI模型衍生而來，基本理論主要參照Judd等的研究。結合內燃機冷卻系統(tǒng)運行中，流道受到溫度變化影響，壁面會不定期出現沸騰現象，這期間便需要計算總熱通量Qw，涉及到的計算條件主要包括蒸發(fā)項熱通量，由Qe表示，流項熱通量，由Qc表示，激冷項熱通量，由Qq表示。具體計算關系見式（8）、式（9）、式（10）、式（11）。

計算公式中，作為計算必備條件，必然會涉及到液相比熱容Cpl，無量綱溫度T，氣相成核密度n”，液相密度ρl，常數FA，無量綱距離Y+，液相溫度Tl取值為250，氣泡脫離頻率f，氣泡脫離直徑dw，氣泡等待時間tw，液相汽化替熱hlg，氣泡分離接觸分度Tquench。

2.4 湍流模型分析? 基于RPI模型的內燃機冷卻水腔內數值模擬分析中，湍流模型分析主要因為內燃機運行期間，冷卻系統(tǒng)的水腔位置熱負荷較大，本身冷卻道設計便比較繁瑣，一旦冷卻系統(tǒng)運行速度流速加快的情況，整個系統(tǒng)就會處于湍流狀態(tài)，這種情況就會影響到腔內數值變化，因此必須創(chuàng)建湍流模型。以Realizable k-ε為基礎，得到內燃機冷卻系統(tǒng)的湍流能k湍流耗散率ε，具體公式為式（12）、式（13）。

計算公式中，為了滿足計算要求，涉及到冷卻系統(tǒng)的浮力以及平均流速下冷卻運行湍流能，分別為Gb、Gk，還涉及到源項Sk、Sg，常數Cg3，液相動力粘度為μ。在此基礎上還包含如下數值：σg=1.3、σk=1.0、μt=ρlCt、Cμ=0.09。

其中湍動能計算，公式為kd=Ck，湍流年度計算則需要根據方程（14）。

3? 內燃機冷卻水腔內數值模擬試驗計算

內燃機冷卻水腔內數值模擬試驗計算，首先試驗對象為冷卻系統(tǒng)的缸蓋，及時創(chuàng)建溫度場模型，選擇最常用的增壓水冷四缸柴油機類型，在初始狀態(tài)下對缸蓋玩電腦讀測量記錄，隨后在沸騰傳熱情況下進行仿真處理與計算，具體結構、性能等參數詳見表1。

仿真試驗中，結合柴油機具體情況設置硬度塞測溫點，數量為20個，按照1-20進行編號，并且繪制局部實物圖。根據數值模擬要求，設計冷卻流道網格以及缸蓋模型，以STAR CCM+幾何模型為參考，要求網格尺寸必須控制到4mm，并且邊界厚度設定在1.2mm。因為內燃機冷卻腔內道復雜，所以設計網絡數量基數較大，約83.5萬個。利用計算軟件設定模擬分析系數，并且繪制傳熱系數曲線，統(tǒng)計瞬時溫度變化，由此推斷出柴油機運行情況，同時還能夠了解熱邊界變化，及時對模擬結果進行分析，計算出平均環(huán)境溫度與平均傳熱系數。根據統(tǒng)計數值生成氣泡分布云圖、冷卻水腔內流線分布云圖。及時對在內燃機冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化處理，提高冷卻效率。其中內燃機冷卻系統(tǒng)中的缸蓋模擬數值計算，結合水腔壁面體積數值生成云圖，發(fā)現缸蓋的主要換熱方式為對流換熱，雖然會出現局部沸騰換熱情況，則主要集中在高溫區(qū)域。因為換熱期間會出現大量氣泡，這些氣泡受到缸蓋結構的影響會附著在壁面位置，試驗研究中的缸蓋氣道，氣泡最密集區(qū)域為氣道鼻梁位置，密集度達到27.7%。結合這種情況制定流動環(huán)境改善的方案，改善氣泡聚集情況，防止因為換熱惡化導致缸蓋氣泡出現膜態(tài)沸騰現象，進而導致缸蓋出現裂痕。通過對冷卻水腔內流線云圖結構分析，發(fā)現氣道鼻梁位置因為結構原因，截面積相對來講比較大，所以流量比較充足，并且監(jiān)測平均流速發(fā)現能夠達到2m/s。可是在實際流動中，因為緊鄰排氣道，加上預熱塞對鼻梁區(qū)所造成的影響，限制了水腔壁面的流動速度，導致壁面的曲率出現異常，冷卻液流動遇到死區(qū)。針對這種現象必須及時對幾何結構進行調整，調整冷卻液平均流速，保證制冷系統(tǒng)的正常運行。及時對比試驗中的溫度與流動數值，特別是缸蓋的鼻梁位置，作為測量的重點區(qū)域，頻繁出現冷卻液流動異常情況，因此，需要定期對相關數值進行計算比較，利用仿真實驗的方式，總結出有效的改善措施，將計算誤差降到最小，提高內燃機冷卻系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，并且保證冷卻系統(tǒng)數據統(tǒng)計精度。

4? 結束語

綜上所述，結合內燃機冷卻系統(tǒng)腔內數值模擬分析，選擇出最適合的冷沸騰換熱模型，并且進行模擬數值分析，計算出冷卻系統(tǒng)優(yōu)化相關數值，嚴格控制模擬計算誤差。冷沸騰換熱模型對缸蓋溫度控制效果理想，并且為內燃機冷卻系統(tǒng)優(yōu)化提供準確參考。

參考文獻：

[1]董非，苑天林，武志偉，等.基于RPI模型的內燃機冷卻水腔內數值模擬研究[J].化工學報，2019，070（S2）：250-257.

[2]武志偉.冷卻介質對內燃機冷卻水腔內沸騰換熱影響的模擬研究[D].2020.

[3]陳雪飛，秦國良，賈誠，等.基于氣腔模型和節(jié)流閥模型的離心壓縮機喘振數值研究（英文）[J].風機技術，2019（5）.