雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)氣缸套流固耦合傳熱分析＊

陳曉飛 劉長(zhǎng)振 郝永剛 仲蕾 王尚學(xué)

（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，天津 300400）

主題詞：柴油機(jī) 氣缸套 流固耦合 傳熱系數(shù)

1 前言

雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)（下稱(chēng)二沖程柴油機(jī)）燃燒室由氣缸套與兩個(gè)活塞組成[1]，與傳統(tǒng)柴油機(jī)相比，二沖程柴油機(jī)缺少氣缸蓋的散熱，且工作循環(huán)次數(shù)頻繁，氣缸平均溫度高，氣缸套熱負(fù)荷高[2-3]；另外，因二沖程柴油機(jī)呈水平布置，且氣缸套冷卻水腔水平距離為內(nèi)活塞與外活塞行程之和，所以冷卻液的流動(dòng)均勻性較差，從而影響氣缸套溫度場(chǎng)分布，引起氣缸套變形過(guò)大，造成柴油機(jī)漏水、漏氣等問(wèn)題，影響柴油機(jī)正常工作[4-5]。

針對(duì)上述問(wèn)題，采用ANSYS CFX軟件建立了氣缸套流固耦合計(jì)算模型，進(jìn)行了氣缸套、機(jī)體、進(jìn)氣管、排氣管和氣缸套冷卻水腔的流固耦合計(jì)算，并與整機(jī)氣缸套溫度測(cè)試結(jié)果及冷卻液進(jìn)、出口流通阻力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了流固耦合計(jì)算模型的可行性。利用氣缸套流固耦合計(jì)算模型，分析了不同冷卻液流量對(duì)氣缸套溫度、水腔壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與冷卻液帶走熱量的影響規(guī)律，為氣缸套冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 氣缸套流固耦合計(jì)算模型

二沖程柴油機(jī)布置型式如圖1所示，其性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 二沖程柴油機(jī)布置型式

表1 二沖程柴油機(jī)性能參數(shù)

2.1 三維模型建立與網(wǎng)格劃分

利用Pro-E建立二沖程柴油機(jī)氣缸套流固耦合三維模型，其包括氣缸套、進(jìn)氣管、排氣管、機(jī)體及水腔，如圖2所示。

圖2 氣缸套流固耦合三維模型

根據(jù)氣缸套結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將氣缸套內(nèi)壁進(jìn)行分割，外活塞上止點(diǎn)與內(nèi)活塞上止點(diǎn)之間定義為燃燒室壁面；外活塞上止點(diǎn)與下止點(diǎn)之間每隔10 mm進(jìn)行等分并標(biāo)號(hào)；內(nèi)活塞上止點(diǎn)與下止點(diǎn)之間每隔10 mm進(jìn)行等分并標(biāo)號(hào)，如圖3所示。

圖3 氣缸套分割示意

圖4為網(wǎng)格模型，根據(jù)熱邊界加載需要分別定義不同壁面[6]，同時(shí)定義固體域與流體域之間相互的結(jié)合面[7]。

圖4 網(wǎng)格模型

2.2 氣缸套流固耦合計(jì)算模型建立

2.2.1 材料屬性定義

將機(jī)體、進(jìn)氣管、排氣管與氣缸套設(shè)定為固體域，其中，機(jī)體與進(jìn)氣管材料選擇ZL101，排氣管材料選擇HT300，氣缸套材料選擇硼銅合金鑄鐵；水腔設(shè)為流體域，如表2所列。

表2 材料屬性

2.2.2 流動(dòng)邊界條件

冷卻水腔的進(jìn)口邊界設(shè)定為質(zhì)量流量，定義入口溫度為80℃；出口邊界設(shè)定為靜壓，其值為0。

2.2.3 傳熱邊界條件

國(guó)有企業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的獨(dú)特地位和作用，其會(huì)計(jì)信息披露工作就尤為重要。我國(guó)國(guó)有企業(yè)傳統(tǒng)的發(fā)展模式存在的弊端使得國(guó)有企業(yè)的經(jīng)營(yíng)和發(fā)展存在著很多漏洞，長(zhǎng)此以往，不只會(huì)影響到國(guó)有企業(yè)的正常經(jīng)營(yíng)和發(fā)展，對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展也會(huì)起到不利的影響。所以在當(dāng)今的經(jīng)濟(jì)社會(huì)背景下，國(guó)有企業(yè)只有通過(guò)會(huì)計(jì)信息披露，加強(qiáng)公眾對(duì)其的監(jiān)督，才能夠保證國(guó)有企業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。

缸內(nèi)燃?xì)鉄徇吔鐟?yīng)用一維仿真軟件GT-Power仿真得到，圖5為二沖程柴油機(jī)的一維仿真模型。通過(guò)仿真分析得到了氣體缸內(nèi)壓力曲線(xiàn)，并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果[8]進(jìn)行了對(duì)比，如圖6所示。由圖6可看出，二者誤差較小。

圖5 一維性能仿真模型

圖6 氣缸壓力曲線(xiàn)

圖7和圖8分別為一個(gè)循環(huán)內(nèi)缸內(nèi)燃?xì)鉁囟群蛽Q熱系數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。

圖7 缸內(nèi)換熱系數(shù)變化曲線(xiàn)

圖8 缸內(nèi)燃?xì)鉁囟茸兓€(xiàn)

根據(jù)缸內(nèi)換熱系數(shù)變化曲線(xiàn)和缸內(nèi)燃?xì)鉁囟茸兓€(xiàn)，根據(jù)式（1）和式（2）可求得一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)缸內(nèi)平均傳熱系數(shù)αgm和等效燃?xì)鉁囟萒*gm[9-10]，其值分別為1 158 W/（m2K）和912 K。

式中，αg為對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的換熱系數(shù)；Tφ為對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角的缸內(nèi)溫度；φ為曲軸轉(zhuǎn)角。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[11]，認(rèn)為柴油機(jī)氣缸套內(nèi)表面沿缸套軸向的傳熱系數(shù)與溫度分布規(guī)律為：

根據(jù)式（3）與式（4）分別計(jì)算氣缸套內(nèi)表面各區(qū)域的平均傳熱系數(shù)與等效燃?xì)鉁囟?，結(jié)果見(jiàn)表3和表4，其它區(qū)域αgm與Tgm見(jiàn)表5。

表3 內(nèi)活塞各區(qū)域的燃?xì)馄骄鶄鳠嵯禂?shù)與等效燃?xì)鉁囟?/p>

表4 外活塞各區(qū)域的燃?xì)馄骄鶄鳠嵯禂?shù)與等效燃?xì)鉁囟?/p>

表5 其它區(qū)域的傳熱系數(shù)與溫度

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證氣缸套流固耦合計(jì)算模型邊界設(shè)置合理性及仿真誤差，采用熱電偶溫度測(cè)試方法[8]進(jìn)行了氣缸套溫度測(cè)試試驗(yàn)，圖9為氣缸套溫度測(cè)點(diǎn)布置方案。冷卻系統(tǒng)使用試驗(yàn)室外接水源，調(diào)整冷卻液流量為85 L/min，測(cè)試工況與一維仿真工況相同，記錄該工況下氣缸套溫度，圖10為各測(cè)點(diǎn)測(cè)試溫度值。

仿真與試驗(yàn)結(jié)果如表5所列，由表5可知，二者誤差小于4%。

表7為冷卻液進(jìn)、出口流通阻力仿真與試驗(yàn)結(jié)果。由表7可知，二者誤差為3.2%，由于仿真壁面為理想壁面，不考慮表面粗糙度影響，故仿真流通阻力略小于試驗(yàn)測(cè)試值。

圖9 氣缸套溫度測(cè)點(diǎn)布置

圖10 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

表6 氣缸套溫度對(duì)比

表7 冷卻液進(jìn)、出口流通阻力仿真與試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)氣缸套溫度及冷卻液進(jìn)、出口流通阻力的仿真與試驗(yàn)對(duì)比可知，仿真值與試驗(yàn)結(jié)果誤差較小，表明氣缸套流固耦合計(jì)算模型適用于氣缸套傳熱分析。

4 冷卻液流量對(duì)氣缸套傳熱影響分析

保持傳熱邊界不變，利用氣缸套流固耦合模型進(jìn)行冷卻液流量為55 L/min、70 L/min、85 L/min、100 L/min和115 L/min時(shí)的仿真分析。

4.1 流量對(duì)氣缸套溫度的影響

不同冷卻液流量下氣缸套溫度分布如圖11所示。由圖11可看出，由于排氣口與高溫排氣接觸，且缺少有效的冷卻，氣缸套排氣口溫度最高；隨著冷卻液流量的增加，最高溫度逐步降低，且流量對(duì)最高溫度的影響幅度減小。

圖11 不同冷卻液流量下氣缸套溫度場(chǎng)分布

4.2 流量對(duì)氣缸套壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的影響

圖12為不同冷卻液流量下水腔壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布。由圖12可看出，由于氣缸套排氣口之間通水孔冷卻液流速高，有利于壁面?zhèn)鳠?，該處傳熱系?shù)最大；隨著冷卻液流量的增加，冷卻水腔傳熱系數(shù)增大。

圖12 不同冷卻液流量下水腔壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布

圖13為不同冷卻液流量與水腔壁面平均傳熱系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖13可看出，隨冷卻液流量的增加，水腔平均傳熱系數(shù)線(xiàn)性增加，冷卻液的換熱能力增強(qiáng)。

4.3 冷卻液帶走熱量

圖14為冷卻液流量與冷卻液帶走熱量關(guān)系曲線(xiàn)。由圖14可看出，當(dāng)冷卻液流量小于70 L/min時(shí)，隨流量增加冷卻液帶走的熱量逐步增大，但增幅較??；當(dāng)流量為70～100 L/min時(shí)，隨流量增加冷卻液帶走的熱量逐步增大，且增幅較大；當(dāng)流量大于100 L/min時(shí)，冷卻液帶走的熱量趨于平穩(wěn)。

圖13 流量與水腔壁面平均傳熱系數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)

圖14 不同冷卻液流量與冷卻液帶走熱量關(guān)系

5 結(jié)束語(yǔ)

為解決雙對(duì)置二沖程柴油機(jī)氣缸套冷卻流場(chǎng)均勻性問(wèn)題，利用氣缸套流固耦合計(jì)算模型，分析了冷卻液流量對(duì)缸套溫度、冷卻水腔壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和冷卻液帶走熱量的影響規(guī)律。結(jié)果表明，氣缸套排氣口附近溫度最高，排氣口上水口處的傳熱系數(shù)較大；隨冷卻液流量的增大，缸套最高溫度逐漸降低、冷卻水腔壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)線(xiàn)性增大，冷卻液帶走的熱量逐漸增大并趨于穩(wěn)定，冷卻液流量在70～100 L/min時(shí)氣缸套冷卻效果較好，滿(mǎn)足氣缸套冷卻流場(chǎng)的均勻性要求。