汽車鋁油冷器內(nèi)顆粒沖蝕磨損分析方法研究

陳方方 尉武杰 鄭雨松

關(guān)鍵詞：沖蝕磨損;Ahlert磨損模型;臺架驗(yàn)證;鋁油冷器

0 前言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的提升和汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車及相關(guān)零部件產(chǎn)業(yè)已成為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。油冷器是汽車內(nèi)部1種重要的冷卻系統(tǒng)。然而，隨著冷卻液在油冷器內(nèi)的運(yùn)動，不斷沖擊油冷器壁面，在冷卻系統(tǒng)中存在的一些顆粒物會使得油冷器失效現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，造成了大量經(jīng)濟(jì)損失。因此，對于汽車油冷器內(nèi)的顆粒沖蝕現(xiàn)象展開研究很有必要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對該沖蝕現(xiàn)象進(jìn)行了大量的數(shù)值及試驗(yàn)研究。許多學(xué)者采用了歐拉-拉格朗日法來計(jì)算固液中顆粒的沖蝕現(xiàn)象[1-3]。Amara 和Muthanna[4]等人通過數(shù)值模擬的方法對彎管中固體顆粒的侵蝕行為進(jìn)行了預(yù)測，并研究了不同粒徑顆粒在90°彎管內(nèi)的沖蝕現(xiàn)象。有研究發(fā)現(xiàn)，顆粒尺寸減小時(shí)，沖蝕速率也會相應(yīng)減小。Thiana和Yeshwanth[5]對2個(gè)串聯(lián)彎管進(jìn)行了沖蝕試驗(yàn)，并用超聲波方法對壁厚進(jìn)行了測量，給出了2個(gè)彎管腐蝕速率的比較。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，第2個(gè)彎管的沖蝕程度要略大于第1個(gè)彎管。劉志勇和楊建明[6]對挾沙水流在凝水器中的沖蝕狀況進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)管板上冷卻水管的安裝位置對彎管沖蝕的影響較大。董肖肖[7]針對節(jié)流閥的沖蝕現(xiàn)象進(jìn)行了研究，分析了不同閥芯頂角度數(shù)的磨損情況。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，閥芯處沖蝕位置隨頂角度數(shù)增大逐漸靠近閥芯尖。Thiana和Siamack[8]等人進(jìn)行了水、空氣和砂粒的液-砂流和多相流試驗(yàn)，在63個(gè)位置和幾種不同的流動條件下，測量了彎管外徑的壁厚損失，研究了液-砂流和多相流中的不同流態(tài)。

本文主要以某型號的油冷器作為研究對象，對其內(nèi)部的流場進(jìn)行了分析，并采用歐拉-拉格朗日法對其固液沖蝕情況進(jìn)行了模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果做了對比。

1 三維模型及網(wǎng)格劃分

本文采用某型號的油冷器來進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并采用ANSA 軟件對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該油冷器的三維模型如圖1所示。

由于油冷器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以研究人員采用了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。研究人員將其水側(cè)流域部分提取出來，并對進(jìn)出口管道進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难娱L。為了進(jìn)一步提升網(wǎng)格劃分的準(zhǔn)確性，在模型處理時(shí)，研究人員對油冷器的中心區(qū)域進(jìn)行了加密。油冷器水側(cè)和芯片局部的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2和圖3所示。

2 數(shù)值方法

2.1 磨損模型

針對鋁合金磨損常用的計(jì)算模型有Ahlert磨損計(jì)算模型[9]，E/CRC 磨損計(jì)算模型等。本文經(jīng)過比對，最終選取Ahlert磨損模型，其表達(dá)式如式1和式2所示。

2.2 邊界條件和求解方式

本文采用fluent軟件中的DPM 模型進(jìn)行沖蝕計(jì)算。油冷器內(nèi)部連續(xù)相為水，離散相設(shè)為氧化硅。為了使計(jì)算結(jié)果更加精確，研究人員使用多孔介質(zhì)將油】冷器翅片等效，其等效結(jié)果如表1所示。

本研究假定顆粒為圓形，且不考慮顆粒間的碰撞。顆粒粒徑采用雙R函數(shù)輸入，最小粒徑為53μm，最大粒徑為600μm，質(zhì)量流量為0.001667kg/s，湍流模型采用Realizablek-ε 模型。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 油冷器內(nèi)部流場分析

圖4為油冷器水側(cè)部分的壓力云圖和速度云圖。從圖4（a）中可以看出，進(jìn)口處的壓力較大，出口處的壓力較小。由于油冷器內(nèi)翅片的存在，使得進(jìn)出口壓差較大，出口彎管處甚至出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。油冷器內(nèi)部芯片壓力從大較小變化較均勻。從圖4（b）中可以看出，進(jìn)出口管道速度大小分布較均勻，且數(shù)值基本一致，油冷器內(nèi)部芯片處速度較小，到出口引流板處速度變大，速度最大處在出口管道彎管的內(nèi)壁面附近。

圖5為不同層數(shù)芯片處的壓力云圖。可以看出，在每一層上，進(jìn)口處的壓力較大，出口處壓力較小，從進(jìn)口部分到出口部分，壓力均勻減小。隨著層數(shù)增加，進(jìn)口和出口部分的壓力逐漸增加。

圖6為不同層數(shù)芯片的速率云圖。從圖6可以看出，在每一層上，進(jìn)口部分和出口的速率都較大，其他部分的速率則較小。此外，在壁面附近速率較大的原因是在壁面附近沒有翅片。隨著層數(shù)的增加，速率的最大值在逐漸減小。

3.2 沖蝕結(jié)果分析

圖7是油冷器進(jìn)口管道及進(jìn)口管道和芯片交接處的磨損云圖。其中，圖7（b）是進(jìn)口管道截面的速度云圖。從圖7可以看出，進(jìn)口管道彎管處外壁面磨損比較嚴(yán)重。磨損最嚴(yán)重的區(qū)域靠近管道下方，呈階梯狀向外擴(kuò)散。這是由于顆粒隨著流體進(jìn)入管道后，在拐彎處由于慣性作用會反復(fù)撞向外壁面，造成管道的沖蝕。油冷器進(jìn)口管道與芯片交接處的磨損最大位置在第1層芯片的內(nèi)側(cè)，而下面幾層的芯片交接處也發(fā)生了磨損。隨著層數(shù)增加，磨損量逐漸減小。整體情況與右側(cè)進(jìn)口管道內(nèi)的流場情況相吻合。

圖8為油冷器出口管道的磨損云圖。從該圖中可以看出，在引流通道的進(jìn)口處、出口壁面和出口管道彎管的內(nèi)壁面處均發(fā)生了沖蝕，其中引流通道的進(jìn)口處磨損量最大。出口管道彎管的內(nèi)壁面處磨損的區(qū)域最大。從圖8（b）中的速率云圖中也可以看出，在引流通道進(jìn)口和出口處，由于管道的突然收縮造成了速度突變，與此對應(yīng)地方的磨損量也比較大。同時(shí)，在彎管內(nèi)側(cè)也出現(xiàn)了高速區(qū)域，這個(gè)位置對應(yīng)位置的磨損量也很大。

圖9所示為進(jìn)口管道內(nèi)顆粒的運(yùn)動軌跡圖?？梢钥闯?，顆粒進(jìn)入油冷器后，大部分顆粒隨流體撞擊在彎管外壁面上，然后進(jìn)入芯片。進(jìn)入第1層芯片的顆粒最多，越往下的顆粒則越少。在引流通道進(jìn)口處，有許多顆粒徑直撞向上方壁面，這也是這部分磨損量最大可以看出，顆粒在流體中的跟隨情況較好。在進(jìn)口管道中，顆粒在第1層芯片處速率最大，越靠下速率越小，這也與芯片進(jìn)口的磨損情況保存一致。在出口管道處，顆粒在引流通道出口位置速率突然增大，直到彎管結(jié)束段，速率都較高。

4 試驗(yàn)結(jié)果對比

4.1 試驗(yàn)臺架

研究人員設(shè)計(jì)了1個(gè)循環(huán)沖蝕實(shí)驗(yàn)臺，對某型號的油冷器進(jìn)行了沖蝕試驗(yàn)，以驗(yàn)證上述計(jì)算結(jié)果。實(shí)驗(yàn)臺的運(yùn)行原理和結(jié)構(gòu)如圖11所示。通過在料倉添加顆粒，關(guān)閉料倉下面的閥門，離心泵提供流體所需要的動力，流量計(jì)則監(jiān)測管道內(nèi)的流體流量。

4.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用顆粒主要為氧化鐵（占雜質(zhì)總量10%）和氧化硅（占雜質(zhì)總量90%），其粒徑范圍為53～600μm，顆?？傎|(zhì)量為125mg;管道內(nèi)冷卻液流量為20L/min。

研究人員將該型號鋁油冷器樣件安裝在沖蝕試驗(yàn)臺位上，通入冷卻液和雜質(zhì)顆粒，進(jìn)行循環(huán)沖蝕試驗(yàn)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過96h的沖蝕試驗(yàn)，油冷器發(fā)生了失效，如圖12所示?？梢钥闯?，油冷器出口管道彎管內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了失效，這與之前計(jì)算的結(jié)果基本一致。第1層芯片與進(jìn)口管道交接處也出現(xiàn)了穿孔失效。此外，在芯片進(jìn)口處與引流通道出口處均有明顯的沖蝕磨損痕跡，這也與之前的計(jì)算模擬結(jié)果相吻合。

5 結(jié)論

研究人員采用fluent軟件對某型號的油冷器進(jìn)行了沖蝕計(jì)算，分析了其內(nèi)部流場及沖蝕磨損情況，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

（1）通過DPM 模型對油冷器進(jìn)行沖蝕計(jì)算，通過試驗(yàn)驗(yàn)證該計(jì)算方法切實(shí)有效。

（2）在第1層芯片與進(jìn)口管道的交接處出現(xiàn)穿孔失效。經(jīng)查明，由于進(jìn)口顆粒在慣性作用下大量撞擊芯片進(jìn)口壁面，從而導(dǎo)致了部件失效。

（3）在出口管道彎管外側(cè)同樣出現(xiàn)了部件失效。經(jīng)查明，這是因?yàn)榱魍娣e減小導(dǎo)致流體速率增大，壁面磨損程度增加造成了沖蝕磨損。