活塞噴油冷卻流動(dòng)和換熱特性的研究*

王　新　劉世英（山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院　山東　淄博　255091）

活塞噴油冷卻流動(dòng)和換熱特性的研究*

王新劉世英
（山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院山東淄博255091）

采用CFD軟件Fluent對(duì)某活塞半開式內(nèi)冷油腔的振蕩冷卻進(jìn)行了三維數(shù)值模擬計(jì)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(jī)油的流動(dòng)和換熱特性。研究結(jié)果顯示：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)油的捕捉率和填充率有所下降；隨著噴油速度的提高，機(jī)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?jǐn)?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(qiáng)化換熱.此模擬結(jié)果可以為活塞的優(yōu)化設(shè)計(jì)和溫度場(chǎng)的分析起到指導(dǎo)作用.

活塞內(nèi)冷油腔強(qiáng)化換熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

隨著內(nèi)燃機(jī)功率的不斷增加，導(dǎo)致活塞的熱負(fù)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(qiáng)冷卻具有重要的實(shí)際意義。介于振蕩傳熱在內(nèi)燃機(jī)活塞和氣門的工程應(yīng)用背景，對(duì)振蕩傳熱問(wèn)題的研究一直持續(xù)到現(xiàn)在，早期的研究主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段來(lái)完成。1965年Bush J.E.等人根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了基于管流公式的振蕩傳熱的實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[1]，之后被廣泛用于工程設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)帶內(nèi)冷油腔的活塞溫度場(chǎng)的計(jì)算，早期的時(shí)候大多都是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)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(jì)算機(jī)技術(shù)和傳熱學(xué)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始用CFD軟件來(lái)研究流體的流動(dòng)和傳熱。2003年Hidehiko Kajiwara等人用CFD分析了一個(gè)被簡(jiǎn)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(duì)三維冷卻通道內(nèi)換熱情況進(jìn)行了數(shù)值模擬[3]。之后，2010年和2014年北京理工大學(xué)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(jī)油的流動(dòng)和換熱特性，分析了內(nèi)冷油腔的填充率、機(jī)油捕捉率、壁面的平均體積分?jǐn)?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(chǎng)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(gè)非定常的氣液兩相流流動(dòng)問(wèn)題，整個(gè)流體區(qū)域包含空氣和機(jī)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(méi)有互相穿插，每增加一相就會(huì)引入一個(gè)變量即計(jì)算單元中相的體積分?jǐn)?shù)。在每個(gè)計(jì)算單元中，所有相的體積分?jǐn)?shù)之和為1。若在每個(gè)計(jì)算單元中，第q相的體積分?jǐn)?shù)為φq，則在每個(gè)計(jì)算單元內(nèi)第q相流體的體積分?jǐn)?shù)可能會(huì)出現(xiàn)三種情況：

1）φq=0，表示此計(jì)算單元內(nèi)無(wú)第q相流體；2）0＜φq＜1，表示此計(jì)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(jì)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(dòng)量控制方程其中：ρ，μ分別為流體的密度和動(dòng)力粘性系數(shù)；U= （u，v，w）表示在坐標(biāo)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(jià)體積力形式。

在單相流的計(jì)算中并沒(méi)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(dòng)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(xué)模型

2.1幾何模型與網(wǎng)格劃分

本文以某型號(hào)柴油機(jī)活塞為例，首先根據(jù)實(shí)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(duì)模型進(jìn)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(duì)內(nèi)冷油腔進(jìn)行細(xì)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(jìn)、出口設(shè)置監(jiān)測(cè)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(shí)刻，整個(gè)計(jì)算流體區(qū)域充滿了空氣（第一相），并沒(méi)有機(jī)油（第二相），所以在計(jì)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(guò)活塞內(nèi)冷油腔油量試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)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(guò)程的計(jì)算，故在fluent中需要設(shè)置迭代的時(shí)間步長(zhǎng)，在計(jì)算時(shí)時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為0.5°CA的曲軸轉(zhuǎn)角，每隔30個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)（即15°CA的曲軸轉(zhuǎn)角）輸出一個(gè)計(jì)算結(jié)果（上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)著曲軸轉(zhuǎn)角是0°CA）。為了確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在迭代計(jì)算中需要監(jiān)測(cè)通過(guò)內(nèi)冷油腔進(jìn)、出口機(jī)油的質(zhì)量流量，當(dāng)兩者不再隨活塞循環(huán)運(yùn)動(dòng)而變化時(shí)認(rèn)為計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定。

3.1機(jī)油填充率的分析

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

圖3給出了在發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，填充率隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大先升高后減小，此時(shí)的最大值出現(xiàn)在下止點(diǎn)之前。結(jié)合活塞的速度曲線圖4可以看出，活塞下行時(shí)活塞速度先增大后減小，到達(dá)下止點(diǎn)時(shí)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(shí)間內(nèi)，進(jìn)入到內(nèi)冷油腔的機(jī)油量增加，機(jī)油大多積聚在內(nèi)冷油腔的頂部，從油腔的進(jìn)口處回流得也比較少，從而導(dǎo)致機(jī)油的填充率升高。隨后活塞的速度減小，在相同的單位時(shí)間內(nèi)，進(jìn)入內(nèi)冷油腔的機(jī)油量也隨之減少，機(jī)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(jī)油也會(huì)從內(nèi)冷油腔的進(jìn)出口流出，從而導(dǎo)致機(jī)油的填充率降低。

圖3　不同噴油速度下內(nèi)冷油腔內(nèi)機(jī)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(jī)油量的增加，從而導(dǎo)致在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入內(nèi)冷油腔的機(jī)油量也有所提高，進(jìn)而油腔內(nèi)的機(jī)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(dòng)機(jī)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(shì)來(lái)看，油腔內(nèi)的機(jī)油填充率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而降低。這是由于活塞的運(yùn)動(dòng)速度和噴油嘴的噴油速度之間的相對(duì)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(duì)速度隨之增加，在相同單位時(shí)間內(nèi)，噴入到內(nèi)冷油腔的機(jī)油量就會(huì)減少，因而內(nèi)冷油腔內(nèi)的機(jī)油填充率降低。

3.2機(jī)油捕捉率的分析

為了評(píng)估通過(guò)噴油嘴向內(nèi)冷油腔提供機(jī)油量，使用了動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jī)油的捕捉率隨著曲軸轉(zhuǎn)角、發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)基本相同，活塞下行時(shí)，機(jī)油的捕捉率隨著曲軸轉(zhuǎn)角的增大先升高后減小，此時(shí)的最大值出現(xiàn)在下止點(diǎn)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(shí)間相同的條件下，進(jìn)入到內(nèi)冷油腔的機(jī)油量隨之增加，那么從油腔出口處流出的機(jī)油量也會(huì)增加，由捕捉率的定義可以得出機(jī)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(shí)間內(nèi)進(jìn)入到油腔的機(jī)油量也會(huì)降低，則從油腔出口處流出的機(jī)油量也會(huì)隨之減少，從而得出機(jī)油的捕捉率隨著曲軸轉(zhuǎn)角的繼續(xù)增大而降低。

通過(guò)對(duì)比圖6中的三條曲線，還可以看出隨著轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)油的動(dòng)態(tài)捕捉率變化幅度有所增大。對(duì)一個(gè)活塞循環(huán)的動(dòng)態(tài)捕捉率求其算術(shù)平均值，可以得出當(dāng)轉(zhuǎn)速n=1000r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的捕捉率為60.5%，n=2000r/min對(duì)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(jī)油的捕捉率隨著轉(zhuǎn)速的增加而有所降低。這主要是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的提高，從油腔入口處機(jī)油回流得多，部分機(jī)油來(lái)不及噴入油腔，從而使得油腔內(nèi)機(jī)油量降低，從油腔出口處流出的機(jī)油隨之減少，機(jī)油的捕捉率就會(huì)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(jī)油的動(dòng)態(tài)捕捉率變化幅度有所減少。對(duì)一個(gè)活塞循環(huán)的動(dòng)態(tài)捕捉率求其算術(shù)平均值，可以得出對(duì)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(jī)油的捕捉率有所增加。從圖7中可以看出，當(dāng)噴油速度v=5.29m·s-1時(shí)，曲軸轉(zhuǎn)角在大約60°～120°CA的范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)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(jī)油和油腔中本身貯存的部分機(jī)油流出了油腔的出口，這兩個(gè)部分機(jī)油之和有可能大于噴油嘴噴出的機(jī)油量，所以導(dǎo)致某一時(shí)刻機(jī)油的動(dòng)態(tài)捕捉率大于100%。

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

3.3振蕩換熱特性的分析

圖5　不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下內(nèi)冷油腔內(nèi)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下內(nèi)冷油腔內(nèi)機(jī)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(jī)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?jǐn)?shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。從圖8可以得到，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，油腔壁面的平均體積分?jǐn)?shù)有所下降。這主要是由于隨著活塞的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，機(jī)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(jī)油的振蕩頻率有所提高，機(jī)油分布在油腔內(nèi)部的機(jī)油量增加，從而導(dǎo)致分布在油腔壁面的機(jī)油體積分?jǐn)?shù)隨之降低。

圖8　不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下油腔壁面的平均體積分?jǐn)?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(dòng)機(jī)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(duì)比圖9中的三條曲線，從整體變化趨勢(shì)來(lái)看，三條曲線基本相同，在活塞下行時(shí)，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(diǎn)之前達(dá)到最大值。在一個(gè)活塞循環(huán)內(nèi)對(duì)不同曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)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(gè)活塞循環(huán)內(nèi)的平均換熱系數(shù)值分別對(duì)應(yīng)2058W·（m2·K）-1，2064W·（m2·K）-1，2199 W·（m2·K）-1。也就是說(shuō)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?jǐn)?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?yàn)闄C(jī)油的高頻振蕩對(duì)換熱起到了強(qiáng)化的作用，隨著轉(zhuǎn)速的增加，內(nèi)冷油腔的機(jī)油振蕩速度越大，從而導(dǎo)致油腔中機(jī)油雷諾數(shù)變大，湍流強(qiáng)度增加，壁面和油腔內(nèi)部的機(jī)油混合增強(qiáng)，從而導(dǎo)致循環(huán)換熱系數(shù)的增加。

圖9　不同的發(fā)動(dòng)機(jī)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(yǔ)

通過(guò)對(duì)活塞噴油冷卻流動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，機(jī)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(jī)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?jǐn)?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(shuō)明油腔內(nèi)機(jī)油的高頻振蕩可以強(qiáng)化換熱。此數(shù)值模擬的結(jié)果可以為活塞的設(shè)計(jì)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(dòng)與傳熱仿真研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，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(dòng)換熱特性研究[J].汽車工程，2014，36（5）：546～551

6車德福，李會(huì)雄.多相流及其應(yīng)用[M].西安：西安交通大學(xué)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?yàn)閯?dòng)力機(jī)械工作過(guò)程及數(shù)值模擬。

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2010EM070）

2014-12-26