空心氣門腔體結(jié)構(gòu)對振蕩傳熱影響的數(shù)值分析

張一兵，陳亮君，董 兵

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.濟(jì)南沃德汽車零部件有限公司，山東 濟(jì)南 250300)

發(fā)動機(jī)氣門經(jīng)常處于高溫作用下的惡劣工況中，排氣門最高溫度達(dá)到600～900 ℃[1]。因此，提高氣門傳熱效率、降低氣門溫度對提高氣門的使用壽命具有重要的意義。

空心氣門結(jié)構(gòu)如圖1所示，具有重量輕、傳熱性能好的特點，目前已在車輛發(fā)動機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，同時也吸引了有關(guān)科研人員對空心氣門進(jìn)行系列研究。文獻(xiàn)[2]提出了利用金屬部件添加層的方法制造氣門，該方法能夠在保證氣門性能的情況下減輕氣門的重量，提升汽車的性能。文獻(xiàn)[3]根據(jù)實際工況，分別研究了空心氣門在正常工作情況下和偏心工作情況下的應(yīng)力分布。文獻(xiàn)[4]對充鈉的空心氣門、空心氣門和實心氣門進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明充鈉的空心氣門傳熱性能最好。文獻(xiàn)[5]利用基于VOF(volume of fluid)方法的數(shù)值仿真，研究了空心充鈉氣門的加速度和液態(tài)鈉填充率等因素對氣門傳熱效率的影響，指出液態(tài)鈉的填充率是影響傳熱效率的主要因素之一。在發(fā)動機(jī)中，空心氣門腔體內(nèi)的液態(tài)鈉以湍流的形式運動，并以振蕩傳熱[6]的方式傳熱。空心充鈉氣門的最高溫度比相同條件下工作的實心氣門最高溫度低100℃左右[7]。

圖1 空心氣門結(jié)構(gòu)圖

為了研究空心充鈉氣門腔體頭部錐角對腔體內(nèi)部液態(tài)鈉的振蕩特性的影響，建立了三維空心充鈉氣門腔體結(jié)構(gòu)多相流模型，利用FLUENT軟件模擬了空心氣門內(nèi)液態(tài)鈉的振蕩傳熱過程和流動性，并通過實驗進(jìn)一步驗證了頭部錐角對流動性的影響。

1 數(shù)值模型與求解條件

1.1 數(shù)值模型

建立的空心充鈉氣門腔體數(shù)值分析3D物理模型及其網(wǎng)格劃分如圖2(a)所示，腔體頭部錐角α如圖2(b)所示，其取值范圍為0～30°(每隔5°取一個值)。圖2(b)中黑色部分表示填充的液態(tài)鈉(體積比為50%)，其余部分為空氣。圖2(c)為數(shù)值仿真過程中相關(guān)計算參數(shù)監(jiān)測點的位置。

圖2 空心充鈉氣門腔體模型及網(wǎng)格劃分

在每個單元中，如果多相流中各流體之間不相融，則各相的體積分?jǐn)?shù)之和為1。VOF模型是通過求解各流體相的體積分?jǐn)?shù)來跟蹤相界面的[8]，而液態(tài)鈉與空氣是互不相融的，選擇VOF模型進(jìn)行分析。空心氣門的腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)與鈉填充率如表1所示。

表1 空心氣門腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)與鈉填充率

1.2 求解條件

當(dāng)氣門沿軸線方向作往復(fù)直線運動時，液態(tài)鈉便在氣門腔體中作振蕩運動。取驅(qū)動氣門運動的凸輪轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，凸輪升程為6.6 mm，可根據(jù)凸輪型線將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為氣門往復(fù)直線運動的線速度，并在氣門頭部大端面施加正弦函數(shù)溫度載荷，峰值為1 073 K[9]，周期為凸輪旋轉(zhuǎn)一周所用時間的兩倍。通過FLUENT軟件用戶自定義函數(shù)UDF編程將線速度和模擬溫度載荷施加到空心氣門腔體模型上。雷諾數(shù)按式(1)計算：

(1)

式中：ρ為液態(tài)鈉密度，值為852 kg/m3；液態(tài)鈉的粘度η= 7. 64×10-4kg/( m·s)；v為平均流速；D為腔體圓柱直徑。此時，按平均流速計算的液體雷諾數(shù)約為4 890，大于湍流臨界值，液態(tài)鈉的運動處于湍流狀態(tài)。

分析采用SSTk-ω模型，該模型兼具k-ω模型和k-ε模型各自在壁面附近和遠(yuǎn)離壁面場計算的優(yōu)勢，故具有更廣的適用范圍。由于PISO(pressure-implicit with splitting of operators)算法計算速度較快，故選擇該算法進(jìn)行求解。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

2.1 液態(tài)鈉體積分?jǐn)?shù)云圖分析

液態(tài)金屬的傳熱方式主要是熱傳導(dǎo)[10]，可見液態(tài)鈉在腔體內(nèi)的振蕩運動狀態(tài)會直接影響氣門的傳熱效果。利用所建立的模型，通過FLUENT分析軟件計算完成后，由后處理可以得到頭部錐角α=0°時，某段連續(xù)時間內(nèi)的氣門腔體中液態(tài)鈉的體積分?jǐn)?shù)云圖，如圖3(a)～圖3(g)所示。

圖3 某段時間液態(tài)鈉體積分?jǐn)?shù)云圖

在圖3中，方框標(biāo)記了所跟蹤液態(tài)鈉在不同時刻的流動位置?？梢钥闯銮惑w中的液態(tài)鈉在向上運動的過程中會脫離下部的液體，攜帶熱量運動到氣門尾部，然后再向下運動，與下面頭部流體聚合。在此過程中，脫離出去的液態(tài)鈉會將自身攜帶的熱量傳遞給腔體壁面和尾部端面，從而達(dá)到降低氣門頭部溫度的效果。

通過比較計算得到的不同頭部錐角所對應(yīng)的液態(tài)鈉體積分?jǐn)?shù)云圖可知，當(dāng)頭部錐角α在20°以內(nèi)變化時，氣門腔體內(nèi)部的液態(tài)鈉形成較強(qiáng)的上下振蕩。腔體內(nèi)部液態(tài)鈉的振蕩在α=25°時減弱，在α=30°時，很少能夠到達(dá)氣門尾部，圖4為α=30°時的液態(tài)鈉體積分?jǐn)?shù)云圖。

圖4 α=30°時的液態(tài)鈉體積分?jǐn)?shù)云圖

圖4(a)顯示部分液態(tài)鈉流到腔體中間部位，此時腔體內(nèi)液態(tài)鈉流動狀態(tài)較好。圖4(b)顯示液態(tài)鈉主要集中在腔體錐部，只有少數(shù)液態(tài)鈉離開錐部進(jìn)入錐面以上的圓柱空腔內(nèi)。通過液態(tài)鈉相運動的監(jiān)測動畫看到，當(dāng)頭部錐角α=30°時，腔體內(nèi)液態(tài)鈉出現(xiàn)圖4(a)所示狀態(tài)的幾率較低，很少能到達(dá)氣門腔體尾部，而大部分時間內(nèi)處于圖3(b)所示的運動狀態(tài)。由于液態(tài)鈉屬于粘性液體，主要貼著壁面運動，頭部錐角較大時，靠近拐角處的液態(tài)鈉沿錐面流動離開拐角處時距離拐角較近，大部分時間里，沒有后續(xù)液態(tài)鈉推動其向圓柱腔體內(nèi)運動，在重力作用下，流動方向會向下錐部偏轉(zhuǎn)，無法繼續(xù)向圓柱腔體內(nèi)運動，最終被限制在錐形腔體內(nèi)振蕩。而錐形腔體靠近大端面部分的液態(tài)鈉距離腔體軸線的徑向距離相對較大，需要移動較大的徑向位移才能運動到圓柱腔體內(nèi)，當(dāng)腔體頭部錐角大到一定程度時，該部分液態(tài)鈉可能還來不及運動到圓柱腔體內(nèi)，就會在錐面的反向阻力和自身重力的作用下被限制在圓柱腔體內(nèi)，產(chǎn)生圖4中顯示的現(xiàn)象。

2.2 頭部錐角對氣門振蕩傳熱的影響分析

從前面液態(tài)鈉體積分?jǐn)?shù)云圖3和圖4可以看出，不同的頭部錐角對應(yīng)液態(tài)鈉的振蕩運動區(qū)別較大，下面通過計算不同頭部錐角腔體結(jié)構(gòu)內(nèi)液態(tài)鈉的溫度來進(jìn)一步分析頭部錐角對腔體內(nèi)液態(tài)鈉振蕩傳熱的影響。圖5為利用圖2所示模型計算得到的頭部錐角α=30°時，點2處基本處于平穩(wěn)狀態(tài)時的一段溫度曲線圖。

圖5 α=30°時點2處的溫度曲線圖

(2)

根據(jù)式(2)計算得到不同頭部錐角腔體結(jié)構(gòu)對應(yīng)軸向位置點2和9處的高溫平均值及低溫平均值曲線如圖6所示。

圖6 點2和9處不同頭部錐角對應(yīng)高溫平均值及低溫平均值

3 流動性實驗驗證

為了進(jìn)一步驗證空心氣門腔體的頭部錐角對內(nèi)部流體振蕩流動性的影響，設(shè)計制作了圖7所示的實驗裝置來驗證數(shù)值仿真得到的腔體頭部錐角α在25°以上時，腔體內(nèi)液態(tài)鈉的振蕩效果減弱的結(jié)果。分別對頭部錐角α為20°、25°、30°時的結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗。

圖7 實驗設(shè)備示意圖

為便于空心氣門腔體結(jié)構(gòu)模型的制作與觀察，根據(jù)相似理論[11]取腔體結(jié)構(gòu)尺寸為仿真模型的2.5倍，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速使腔體結(jié)構(gòu)實驗?zāi)Ｐ偷淖畲缶€速度與仿真時所用最大線速度(2.5 m/s)相同。由于室溫下水的粘度約為1×10-3kg /( m·s)，密度為1×103kg/m3，與仿真條件下液態(tài)鈉粘度和密度相接近，因此，在實驗時采用水作為流動介質(zhì)進(jìn)行流動性實驗，腔體為封閉腔體，腔體中水的體積為整個腔體體積的50%。由實驗可以觀察到，當(dāng)腔體頭部錐角α=20°和α=25°時，腔體模型中錐形腔體內(nèi)的流體在往復(fù)振蕩的作用下上升到圓柱腔體部分，而α=30°時，則只有很少的流體上升到圓柱腔體部分。圖8為實驗停止后，腔體實驗?zāi)Ｐ椭蓄^部錐角分別為α=20°、α=25°和α=30°時封閉腔體內(nèi)流體停留的位置圖。從圖8(c)中可以觀察到頭部錐角α=30°時，只有少量的流體停留在圓柱腔體中。

圖8 實驗中流體上升的位置

在頭部錐角為α=20°和α=25°時的往復(fù)振蕩的實驗中，可以觀察到，在腔體實驗?zāi)Ｐ屯Ｖ惯\動前，柱狀腔體內(nèi)有大量氣泡向上運動，說明腔體模型內(nèi)的流體處于湍流狀態(tài)。通過觀察比較腔體實驗?zāi)Ｐ湾F形腔體內(nèi)流體振蕩上升到圓柱腔體中所經(jīng)歷的時間，得出在3個實驗?zāi)Ｐ椭?，頭部錐角α為20°時經(jīng)歷的時間最短，而α=30°時，腔體實驗?zāi)Ｐ蛢?nèi)的流體主要集中在圓錐內(nèi)部，這與數(shù)值仿真中液態(tài)鈉的振蕩運動結(jié)果一致。

4 結(jié)論

通過對空心氣門腔體模型的數(shù)值仿真以及實驗結(jié)果分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)對于所研究的空心充鈉氣門，當(dāng)腔體頭部錐角在20°以內(nèi)時，腔體內(nèi)部的液態(tài)鈉可保持良好的振蕩傳熱特性。

(2)腔體頭部錐角在15°左右存在一個最佳振蕩傳熱效果角度。

(3)腔體頭部錐角在20°到25°之間存在一個臨界值，超過這個值后空心氣門內(nèi)液態(tài)鈉的振蕩傳熱效果減弱。