柴油機(jī)缸蓋水套流場的試驗(yàn)測試與數(shù)值研究*

王俊杰，黃 瑞，陳曉強(qiáng)，沈天浩，董橋橋，俞小莉

(浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套結(jié)構(gòu)及其流動(dòng)組織是否合理直接影響各受熱件的冷卻效果。多缸柴油機(jī)缸蓋結(jié)構(gòu)復(fù)雜，只有準(zhǔn)確了解水套流場才能合理地提出水套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。

柴油機(jī)冷卻水套流場的研究通常有仿真和試驗(yàn)的方法。近年來，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)成為研究柴油機(jī)缸蓋水套流場的一種重要手段[1-4]。劉鐵剛[5]針對(duì)498型柴油機(jī)缸體水套，借助CFD對(duì)缸墊水孔位置和尺寸進(jìn)行了仿真優(yōu)化；葉伊蘇[6]通過CFD計(jì)算發(fā)現(xiàn)某六缸柴油機(jī)缸體水套存在冷卻不足、均勻性差的缺陷，對(duì)水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改善了流動(dòng)性能，結(jié)果表明：CFD仿真研究可以用于發(fā)動(dòng)機(jī)水套流場的模擬分析。

試驗(yàn)測試方面，由于柴油機(jī)缸蓋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和封閉性，其水套流場難以精確測量。粒子圖像測速技術(shù)(PIV)是近期發(fā)展起來的一種新的流動(dòng)測量技術(shù)[7-10]。坡本實(shí)業(yè)有限公司HAGA K和Yasuhiro[11]借助PIV進(jìn)行了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管流動(dòng)可視化研究；張振揚(yáng)[12-18]借助PIV系統(tǒng)對(duì)缸蓋水套內(nèi)的流場進(jìn)行了詳細(xì)測量，得到了豐富的數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：PIV技術(shù)在流場測試方面具有精度高、分辨率高、不對(duì)被測流場產(chǎn)生擾動(dòng)且能獲得平面流場全場信息等優(yōu)點(diǎn)。

在對(duì)柴油機(jī)缸蓋水套復(fù)雜結(jié)構(gòu)的流場研究時(shí)，如何精確獲得流場的流動(dòng)信息是難點(diǎn)。單一使用CFD或者PIV研究水套流場都存在一定的局限性。對(duì)于柴油機(jī)水套結(jié)構(gòu)復(fù)雜處，同時(shí)結(jié)合CFD和PIV技術(shù)對(duì)水套流場進(jìn)行研究具有重要意義，這就需要對(duì)兩種手段之間的偏差和原因進(jìn)行研究。

本文將借助CFD仿真手段對(duì)柴油機(jī)缸蓋水套流場進(jìn)行仿真分析。

1 CFD計(jì)算模型及邊界條件

1.1 計(jì)算模型

連續(xù)性方程：

(1)

式中:ρ—密度；t—時(shí)間；xi—x軸沿方向的分量；ui—速度沿i方向的分量。

動(dòng)量守恒方程：

(2)

式中：ρ—靜壓力；τij—應(yīng)力矢量；ρgi—i方向的重力分量；Fi—由于阻力和能源而引起的源項(xiàng)；xj—x軸沿j方向的分量；uj—速度沿方向的分量。

冷卻液在水套中的流動(dòng)為絕熱不可壓縮的湍流流動(dòng)，采用基于雷諾時(shí)均法的數(shù)值計(jì)算方法，計(jì)算時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

本文采用Pro-E建立幾何模型，水套網(wǎng)格模型如圖1所示。

圖1 整機(jī)水套網(wǎng)格模型

筆者采用HyperMesh軟件對(duì)水套部分進(jìn)行面網(wǎng)格初步劃分，總體水套網(wǎng)格數(shù)量為532 546。導(dǎo)入Star-CCM+后進(jìn)行面網(wǎng)格remesh，并劃分體網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格時(shí)要求對(duì)水套壁面等關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行加密處理。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性分析

為了提高計(jì)算精度，本研究在計(jì)算前對(duì)計(jì)算模型做網(wǎng)格無關(guān)性分析[14]。

網(wǎng)格無關(guān)性分析針對(duì)整個(gè)柴油機(jī)水套模型，水套模型在X、Y、Z方向上的最大尺寸分別為49.1 cm、19.3 cm、45.3 cm。

本研究按照基本尺寸為16 mm、8 mm、4 mm、2 mm、1.5 mm、1.2 mm的網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量分別為723 509、1 167 054、1 327 225、2 178 763、3 558 099、5 404 494，進(jìn)而通過數(shù)值仿真分析水套進(jìn)出口壓差隨網(wǎng)格數(shù)量的變化情況。

網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證的結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

由圖2可以看到：在網(wǎng)格基本尺寸為2 mm后水套進(jìn)出口壓差基本穩(wěn)定，所以在綜合考慮計(jì)算時(shí)間成本和精度后，將網(wǎng)格的基本尺寸定為2 mm。

1.4 邊界條件

對(duì)于冷卻液側(cè)，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測值設(shè)定水套進(jìn)口流量邊界；對(duì)于其他位置則采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。

邊界條件施加數(shù)值如表1所示。

表1 整機(jī)水套CFD模型進(jìn)出口條件

1.5 計(jì)算結(jié)果及分析

由于缸蓋火力面受熱負(fù)荷較大，缸蓋底板水套是直接影響火力面熱狀態(tài)的關(guān)鍵區(qū)域，為了分析缸蓋底板水套的流動(dòng)情況，本研究讀取了缸蓋水套下層截面的流速分布云圖，入口流量Q分別為4.0 m3/h、4.5 m3/h、5.0 m3/h、5.5 m3/h、6.0 m3/h。

計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 流量變化下仿真流速分布云圖

根據(jù)結(jié)果可以看出：隨著入口流量的增大，關(guān)鍵區(qū)域的流速隨之增大，第一缸的狹窄區(qū)域流速變化明顯。

2 柴油機(jī)缸蓋水套可視化試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)組成

試驗(yàn)臺(tái)架分為冷卻系統(tǒng)臺(tái)架和PIV系統(tǒng)。本次試驗(yàn)不考慮冷卻回路小循環(huán)。

試驗(yàn)臺(tái)組成如圖4所示。

圖4 柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)及PIV系統(tǒng)組成1-變頻器；2-流量計(jì)；3-水泵；4-水箱；5-發(fā)動(dòng)機(jī)；6-激光器；7-控制器；8-CCD相機(jī)；9-計(jì)算機(jī)

冷卻系統(tǒng)臺(tái)架包括水泵、變頻器、缸蓋、機(jī)體、流量計(jì)、水箱以及管道，其中用變頻器控制水泵流量。

透明缸蓋結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 柴油機(jī)透明缸蓋結(jié)構(gòu)

缸蓋材料為PMMA，該材料透明且透光率好，滿足本試驗(yàn)測試的要求。PIV系統(tǒng)包括激光器、同步器、計(jì)算機(jī)、CCD相機(jī)。

2.2 PIV系統(tǒng)選型

本次試驗(yàn)采用二維PIV測試系統(tǒng)，主要由光源系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和圖像分析系統(tǒng)組成。試驗(yàn)使用Vlite-200激光器，采用平凹穩(wěn)定腔技術(shù)，輸出激光光束均勻。激光器輸出波長為532 nm，輸出能量為200 mJ，脈寬8 ns，發(fā)散角3 mrad。試驗(yàn)使用相機(jī)為4MP-LMS相機(jī)。在試驗(yàn)前，對(duì)示蹤粒子和激光頻率進(jìn)行匹配試驗(yàn)。失蹤粒子選擇聚酰胺，粒徑20。激光頻率為15 Hz。激光器兩次曝光脈沖下，CCD相機(jī)記錄兩組測試圖片。對(duì)拍攝圖像進(jìn)行處理，采用自相關(guān)技術(shù)根據(jù)兩次脈沖下粒子的位移即可以得到柴油機(jī)缸蓋拍攝區(qū)域的流場分布情況[15]。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 PIV測試結(jié)果

試驗(yàn)前將激光片光源固定在需要拍攝的平面位置，將相機(jī)固定在三腳架上，移動(dòng)到需要拍攝的部位上方。試驗(yàn)時(shí)，本研究通過變頻器改變水泵轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，觀察流量計(jì)示數(shù)確定流量，確定流量后關(guān)燈。準(zhǔn)備完成后，開啟激光器，打開相機(jī)鏡頭蓋進(jìn)行拍攝。拍攝區(qū)域同仿真區(qū)域一致。

本次試驗(yàn)選擇與仿真計(jì)算相同的5個(gè)入口流量條件，從4 m3/h到6 m3/h，間隔為0.5 m3/h進(jìn)行PIV試驗(yàn)拍攝。試驗(yàn)時(shí)由于流量控制產(chǎn)生的誤差，實(shí)際流量分別為4.050 m3/h、4.504 m3/h、5.070 m3/h、5.517 m3/h、6.012 m3/h。

4.050 m3/h和6.012 m3/h兩組流量下測得的流速大小分布如圖6所示。

圖6 流量變化下PIV測試速度云圖

從圖6中可以看出：隨著流量的增加，流場流速增加，在流道結(jié)構(gòu)狹窄處流速增加明顯。

2.3.2 流場分布對(duì)比分析

在入口流量都為4.0 m3/h的情況下，取柴油機(jī)第一缸缸蓋的水套區(qū)域，4.0 m3/h流量下仿真得到的流線分布如圖7所示。

圖7 4.0 m3/h流量下仿真得到的流線圖

4.050 m3/h流量下測試得到的流速矢量分布如圖8所示。

本研究將CFD仿真分析的結(jié)果同PIV測試的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。分析仿真手段和試驗(yàn)測試結(jié)果之間的差異。

從圖7和圖8的對(duì)比可以看出：CFD仿真手段得到的流場計(jì)算結(jié)果和PIV測試得到的流場結(jié)果趨勢(shì)基本一致，流場分布情況基本相同。

2.3.3 偏差分析

PIV拍攝區(qū)域如圖9所示。

圖9 A、B、C測試區(qū)域選取位置

為了更好地比較CFD仿真與PIV測試技術(shù)在流場分析中的一致性，筆者在PIV測試區(qū)域中選取A、B、C 3個(gè)測試區(qū)域(A、B、C3區(qū)域位置如圖中標(biāo)記)，分別提取仿真結(jié)果與測量結(jié)果，獲得這些區(qū)域平均速度隨入口流量的變化情況。

A、B、C區(qū)域平均速度隨入口流量的變化情況如圖10所示。

圖10 A、B、C三區(qū)域平均速度隨入口流量的變化情況

隨著流量增大，各點(diǎn)流速均增大，仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)在上述變化趨勢(shì)上基本一致，但在不同區(qū)域，兩者的偏差是不同的。A區(qū)域平均相對(duì)偏差為2.118%，B區(qū)域平均相對(duì)偏差為37.7%，C區(qū)域的平均相對(duì)偏差為18.74%。即B區(qū)域偏差較大，原因可能是B區(qū)域在水套出口，是兩股流速較高的流體匯合的區(qū)域，流場比較復(fù)雜。隨著流量升高，該區(qū)域的湍流度大大提升。

改變仿真的壁面粗糙度，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果發(fā)生變化，粗糙和光滑條件下仿真結(jié)果的偏差為0.3%。仿真模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ土鞯辣诿娲植诙却嬖谝欢ú町悾诹鞯澜Y(jié)構(gòu)狹窄處，壁面粗糙度會(huì)對(duì)流動(dòng)情況產(chǎn)生一定的影響。本次試驗(yàn)所采用的缸蓋材料為PMMA，由于仿真粗糙度設(shè)置的限制，會(huì)使得仿真與試驗(yàn)之間有一定的偏差。

本研究提取第一缸A、B、C三區(qū)域在不同入口流量下的Re數(shù)，如表2所示。

表2 A、B、C三區(qū)域Re隨入口流量的變化情況

從表2中可以看出：B區(qū)域Re數(shù)較高，在入口流量大于5 m3/h時(shí)，B區(qū)域Re數(shù)大于10 000，此時(shí)仿真與試驗(yàn)之間的偏差較大。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)某四缸柴油機(jī)，借助CFD仿真手段和PIV測試技術(shù)對(duì)柴油機(jī)缸蓋水套流場進(jìn)行了對(duì)比分析。

結(jié)果表明：對(duì)于柴油機(jī)缸蓋水套流場的研究，CFD仿真和PIV測試兩種手段所得到的結(jié)果具有較好的一致性，流場的分布情況大致相同；根據(jù)不同入口流量下，兩種研究手段所得到的柴油機(jī)水套流場分布圖發(fā)現(xiàn)，隨著入口流量的增加，CFD仿真和PIV試驗(yàn)所得流場的流速均增加且變化趨勢(shì)一致；分析了CFD仿真和PIV試驗(yàn)之間的偏差。