高強(qiáng)化活塞內(nèi)冷油腔振蕩傳熱特性的場協(xié)同分析

朱海榮　彭培英　陳曉萌　吳亞輝　王建華

摘要：為研究高強(qiáng)化活塞內(nèi)冷油腔振蕩強(qiáng)化傳熱機(jī)理，應(yīng)用場協(xié)同理論對活塞內(nèi)冷油腔中機(jī)油的振蕩流動與傳熱過程進(jìn)行分析。采用CFD軟件Fluent模擬橢圓形油腔和水滴形油腔內(nèi)機(jī)油的速度場、溫度場的分布，得到2種結(jié)構(gòu)油腔的平均場協(xié)同數(shù)和協(xié)同角余弦值在不同工況下的變化規(guī)律。結(jié)果表明，場協(xié)同理論能夠很好地解釋活塞內(nèi)冷油腔的振蕩強(qiáng)化傳熱性能，水滴形油腔內(nèi)、外壁面處的協(xié)同角要小于橢圓形油腔，平均場協(xié)同數(shù)和協(xié)同角余弦值都大于橢圓形油腔，說明水滴形油腔的協(xié)同程度更好，其強(qiáng)化傳熱效果也更佳。采用場協(xié)同理論可以滿足活塞內(nèi)冷油腔的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為提高活塞內(nèi)冷油腔的強(qiáng)化傳熱能力提供了理論參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)工程;高強(qiáng)化活塞;內(nèi)冷油腔;振蕩;強(qiáng)化傳熱;場協(xié)同

中圖分類號：TK124文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.7535/hbkd.2022yx02001

Abstract：In order to study the oscillating heat transfer enhancement mechanism of the cooling oil gallery of highly-enhanced piston，the oscillatory flow and heat transfer process of engine-oil in the cooling oil gallery of piston were analyzed by the field synergy theory.CFD software FLUENT was used to simulate the velocity field and temperature field distribution of the fluid in the elliptic and the variations of mean field synergy number and cosine value of synergy angle in both two gallery structures under different conditions were obtained.The results reveal that the field synergy principle could well explain the oscillating heat transfer enhancement performance of cooling oil gallery in highly-intensified piston efficiently.The synergy angles at the inner and outer walls of the water droplet oil gallery are smaller than that of elliptic oil gallery，and the mean field synergy number and cosine value of synergy angles of water droplet oil gallery are larger than that of elliptic oil gallery，which indicates that the synergy degree of water droplet oil gallery and its effect of heat transfer enhancement are much better.Using the field synergy theory to guide the structure design of cooling oil gallery of piston will open up a new way to improve the heat transfer enhancement ability of cooling oil chamber gallery.

Keywords：internal combustion engine;highly-intensified piston;cooling oil gallery;oscillation;heat transfer enhancement;field synergy

隨著柴油機(jī)在國防科技及民用領(lǐng)域應(yīng)用需求的不斷增加，其強(qiáng)化程度不斷提高。高強(qiáng)化柴油機(jī)能夠提供更大的輸出功率，其零部件的可靠性面臨著更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。活塞作為柴油機(jī)中最重要的零部件之一，直接承受燃?xì)鈮毫?、往?fù)慣性力和高溫氣體的共同作用，極易出現(xiàn)高溫蠕變、疲勞斷裂和燒蝕等破壞問題，因此活塞損傷在柴油機(jī)故障中占了很大比重[1-2]。為保證柴油機(jī)安全可靠運(yùn)行，必須對活塞進(jìn)行有效的冷卻。目前，高強(qiáng)化活塞多采用帶有內(nèi)冷油腔的振蕩冷卻方式，冷卻機(jī)油不斷地噴入活塞頭部的內(nèi)冷油腔中，機(jī)油與空氣相混合隨活塞一起進(jìn)行往復(fù)振蕩，與內(nèi)冷油腔的高溫壁面進(jìn)行強(qiáng)烈對流換熱，以對活塞進(jìn)行有效冷卻，從而提高活塞的使用可靠性[3-5]。

河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)2022年第2期朱海榮，等：高強(qiáng)化活塞內(nèi)冷油腔振蕩傳熱特性的場協(xié)同分析采用數(shù)值模擬方法對高強(qiáng)化活塞內(nèi)冷油腔的振蕩傳熱過程進(jìn)行研究，集中出現(xiàn)在2000年以后。2003年，KAJIWARA等[6]首次利用CFD軟件分析了內(nèi)冷油腔在不同機(jī)油填充率下的壁面換熱系數(shù)，模型中做了很多簡化假設(shè)。2005年，PAN等[7]建立了三維梯形冷卻油腔的CFD模型，得到了換熱系數(shù)與曲軸轉(zhuǎn)角、填充比與曲軸轉(zhuǎn)角的關(guān)系，研究了不同填充比時活塞溫度場的情況。2007年，YI等[8]分析了油腔中機(jī)油的振蕩流動傳熱，模擬了兩相流的流動與傳熱過程，獲得了充油率、壁面換熱系數(shù)等隨轉(zhuǎn)速、流量的變化規(guī)律，但是缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2010年，張衛(wèi)正等[9]利用數(shù)值模擬方法對活塞振蕩冷卻瞬態(tài)傳熱進(jìn)行了研究分析，得到了不同轉(zhuǎn)速、機(jī)油填充率在不同曲軸轉(zhuǎn)角條件下壁面的換熱系數(shù)變化。曹元福等[10-11]采用CFD動網(wǎng)格技術(shù)和多相流模型對封閉圓柱腔、開式冷卻油腔中的冷卻介質(zhì)換熱過程進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，分析了活塞轉(zhuǎn)速、行程改變時，換熱系數(shù)及冷卻油腔內(nèi)機(jī)油通過率的變化規(guī)律，并分析了機(jī)油填充率在30%～60%范圍內(nèi)流體的振蕩傳熱特性。2015年，吳倩文等[12-13]對活塞內(nèi)冷油腔振蕩冷卻進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了油腔機(jī)油填充率、壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律，還研究了轉(zhuǎn)速和噴油量對活塞溫度場的影響規(guī)律。2017年，朱楠林等[14]采用數(shù)值模擬方法對活塞冷卻油腔內(nèi)流體的振蕩冷卻特性做了初步論證，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)、充油率等不同時冷卻油腔壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化規(guī)律。2018年，吳志明等[3]對活塞環(huán)形油腔周向振蕩冷卻特性進(jìn)行了研究，得到了環(huán)形油腔周向壁面平均換熱系數(shù)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)壁面平均換熱系數(shù)在周向20°區(qū)域變化幅度最大，且在1個周期內(nèi)油腔周向區(qū)域的平均換熱系數(shù)整體呈“對數(shù)”減小的趨勢。2020年，穆艷麗等[15]采用模擬仿真的研究方法，得出了一種較為通用的活塞內(nèi)冷油腔仿真分析方法，并研究了油腔各壁面區(qū)域換熱系數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化。張衛(wèi)正等[16]采用數(shù)值分析方法對活塞冷卻油腔內(nèi)機(jī)油的流動與傳熱進(jìn)行研究，分析了不同曲柄轉(zhuǎn)角下柴油機(jī)轉(zhuǎn)速及入口流量對機(jī)油流動特性和傳熱特性的影響，并擬合出了大功率船用柴油機(jī)外冷卻油腔振蕩傳熱的無量綱關(guān)聯(lián)式。陳卓烈[17]通過數(shù)值模擬方法研究了振蕩油腔在不同轉(zhuǎn)速、噴油壓力和加熱條件下的流動換熱特性，與搭建的試驗(yàn)臺試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比校驗(yàn)，驗(yàn)證仿真計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。李達(dá)[18]建立了高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞三維模型，分別使用動網(wǎng)格法和動邊界法對活塞內(nèi)橢圓形內(nèi)冷油腔振蕩過程中的流動和換熱特性進(jìn)行數(shù)值分析，得到了在不同噴油速度和曲軸轉(zhuǎn)速下的活塞溫度場。63C49FE8-8837-41A6-9F96-3E0F71BC7209

為解釋強(qiáng)化傳熱機(jī)理，過增元等[19]提出了場協(xié)同理論，表明對流傳熱效率不僅取決于速度場和溫度場，也與速度場與溫度梯度場內(nèi)部整體協(xié)同作用有關(guān)，速度場與熱流場的協(xié)同作用越好，對流傳熱效率越高。何雅玲等[20]則指出場協(xié)同原理可以統(tǒng)一解釋現(xiàn)有的對流換熱現(xiàn)象。

現(xiàn)有文獻(xiàn)多關(guān)注活塞內(nèi)冷油腔振蕩傳熱過程中的流動現(xiàn)象和不同參數(shù)條件下的對流傳熱規(guī)律，而對油腔振蕩強(qiáng)化傳熱的機(jī)理研究較少。本文將運(yùn)用場協(xié)同理論對高強(qiáng)化活塞內(nèi)冷油腔的振蕩傳熱特性進(jìn)行研究，對不同截面形狀的油腔在不同工況下的傳熱特性進(jìn)行場協(xié)同分析。

1場協(xié)同理論基礎(chǔ)

過增元[21]以二維平板穩(wěn)態(tài)邊界層問題為例，對其能量守恒方程進(jìn)行無量綱處理，得到了努塞爾數(shù)與速度矢量和溫度梯度適量之間的關(guān)系：

2活塞內(nèi)冷油腔模型

2.1模型的建立

如圖1所示，內(nèi)冷油腔設(shè)置在活塞頭部，冷卻機(jī)油從噴油嘴持續(xù)噴出，通過油腔進(jìn)口進(jìn)入油腔，和空氣混合后隨活塞的往復(fù)直線運(yùn)動形成振蕩運(yùn)動。機(jī)油在油腔中的運(yùn)動主要為沿著活塞軸線的軸向運(yùn)動和從油腔進(jìn)口到出口之間的周向運(yùn)動。

文獻(xiàn)[21]在保證油腔橫截面面積相同的情況下，分別建立橫截面形狀為橢圓形和水滴形的內(nèi)冷油腔計(jì)算模型，將內(nèi)冷油腔內(nèi)的流體域作為計(jì)算區(qū)域。內(nèi)冷油腔的幾何模型如圖2所示。

將油腔模型的壁面劃分為4部分，分別命名為上壁面、下壁面、內(nèi)壁面和外壁面。對油腔模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。同時，需要對4個壁面的近壁面區(qū)域進(jìn)行邊界層處理，邊界層網(wǎng)格為10層，網(wǎng)格劃分沿著離開壁面的方向逐漸變稀。取各壁面換熱系數(shù)的算數(shù)平均值作為平均換熱系數(shù)，通過對比不用網(wǎng)格數(shù)量下模型的計(jì)算結(jié)果，分析網(wǎng)格數(shù)對壁面平均換熱系數(shù)的影響。通過上述方法對2種形狀油腔模型的網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終確定橢圓形內(nèi)冷油腔和水滴形內(nèi)冷油腔的網(wǎng)格數(shù)量分別為60 432和64 537，網(wǎng)格模型劃分結(jié)果如圖3所示。

2.2控制方程和邊界條件

采用Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，湍流模型選用SST k-ω模型，壓力速度耦合選用PISO算法，動量方程和能量方程均采用二階迎風(fēng)格式。壁面設(shè)為無滑移速度邊界條件，并采用Fluent動網(wǎng)格技術(shù)模擬內(nèi)冷油腔隨活塞的往復(fù)運(yùn)動。流場的控制方程如下：

3結(jié)果與討論

3.1不同形狀內(nèi)冷油腔的傳熱性能分析

3.1.1速度場分布規(guī)律分析

圖4為轉(zhuǎn)速為2 000 r/min、冷卻機(jī)油填充率為50%時，橢圓形油腔和水滴形油腔（縱向截面）的機(jī)油相分布以及速度矢量圖。紅色為機(jī)油相，藍(lán)色代表空氣相，箭頭代表流體的流動方向。其中，圖4 a）、c）、e）、g）為橢圓形油腔內(nèi)的流體狀況，圖4 b）、d）、f）、h）為水滴形油腔內(nèi)的流動狀況。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為0°CA（曲軸轉(zhuǎn)角）或180°CA時，油腔由中間位置向上或向下運(yùn)動，此時油腔內(nèi)的流體沿著豎直方向往復(fù)運(yùn)動，在橢圓形油腔的內(nèi)、外壁面附近，速度矢量的方向與壁面平行，在而在其上、下壁面附近，速度矢量的方向近似垂直于壁面;而對于水滴形油腔來說，其內(nèi)、外壁面有一定的角度，與活塞的上下往復(fù)運(yùn)動并不平行，所以內(nèi)、外壁面附近的速度矢量方向與壁面之間存在一定的角度，在水滴形油腔的上、下壁面附近，速度矢量的方向與上、下壁面近似于垂直。當(dāng)曲軸轉(zhuǎn)角為90°CA或270°CA時，油腔運(yùn)動到上止點(diǎn)或下止點(diǎn)的位置，機(jī)油沖擊上、下壁面，運(yùn)動受到阻礙，由于對上、下壁面的沖擊，油腔內(nèi)流體湍流加劇，形成漩渦。對比圖4 c）、d）、g）和h）的速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，水滴形油腔內(nèi)流體速度方向的改變程度要比橢圓形冷卻油腔內(nèi)的大，漩渦也相對較大。總的來說，受到油腔內(nèi)、外壁面角度的影響，水滴形油腔內(nèi)流體對內(nèi)、外壁面的沖擊較大，而且在運(yùn)動到上、下止點(diǎn)位置時，水滴形油腔內(nèi)流體的湍流程度要比橢圓形的大，產(chǎn)生的漩渦也比較大。漩渦的形成可以加速熱量的傳遞，強(qiáng)化傳熱效果，使熱量不斷從熱端傳遞到冷端。

3.1.2溫度場分布規(guī)律

圖5所示為某一曲軸轉(zhuǎn)角時，橢圓形油腔和水滴形油腔縱向截面的溫度場分布云圖?？梢园l(fā)現(xiàn)：無論是哪種形狀的油腔，油腔內(nèi)部的溫度梯度變化并不明顯，而在壁面附近處，溫度梯度的變化特別大。這與文獻(xiàn)[22]的規(guī)律是一致的。壁面和流體之間的熱量主要是通過邊界層傳遞，對比發(fā)現(xiàn)水滴形的邊界層厚度要小于橢圓形的邊界層厚度。這是由于水滴形油腔的內(nèi)、外壁面與活塞的往復(fù)運(yùn)動方向存在一定的角度，可以加劇流體對壁面的沖擊，改變邊界層的厚度，因此水滴形油腔的強(qiáng)化傳熱效果優(yōu)于橢圓形冷卻油腔。由此可見，改變壁面與流體流動方向之間的角度，加強(qiáng)流體對壁面的沖擊，可以有效強(qiáng)化壁面與流體間的換熱效果。

3.2不同形狀內(nèi)冷油腔的場協(xié)同性能分析

圖6為橢圓形油腔和水滴形油腔平均場協(xié)同數(shù)Fc隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。如圖6所示，在活塞運(yùn)動的1個周期內(nèi)，橢圓形油腔和水滴形油腔的運(yùn)動趨勢基本一致。在活塞向上止點(diǎn)運(yùn)動的過程中，F(xiàn)c總體呈現(xiàn)上升的趨勢，在上止點(diǎn)附近Fc最大;在活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)動的過程中，F(xiàn)c呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在下止點(diǎn)附近又達(dá)到一個峰值，這說明在上、下止點(diǎn)附近處，速度場與熱流場的協(xié)同程度比較好。在下止點(diǎn)附近處的Fc小于上止點(diǎn)處的，則意味著上止點(diǎn)附近溫度場與熱流場的協(xié)同程度要優(yōu)于下止點(diǎn)附近的。對比2種形狀油腔的Fc發(fā)現(xiàn)，水滴形油腔速度場與熱流場的協(xié)同程度更好。

圖7為2種形狀油腔壁面附近的場協(xié)同角余弦值均值隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化曲線。通過圖7可以觀察到，橢圓形油腔壁面附近處的協(xié)同角余弦值均值基本分布在0.37左右，水滴形油腔壁面附近處的協(xié)同角余弦值均值基本分布0.517左右，水滴形冷卻油腔內(nèi)溫度梯度和速度矢量的協(xié)同性優(yōu)于橢圓形冷卻油腔。這與文獻(xiàn)[22]的研究結(jié)果是一致的。

圖8為機(jī)油填充率為50%、轉(zhuǎn)速1 000～2 500 r/min的條件下，2種形狀油腔壁面附近協(xié)同角余弦值均值隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。可見，隨著轉(zhuǎn)速的增加，水滴形油腔和橢圓形油腔壁面附近的協(xié)同角余弦值均值都呈上升趨勢。當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 000 r/min增加到2 500 r/min時，水滴形油腔的協(xié)同角余弦值由0.514增加到0.518，增加了0.68%，橢圓形油腔的協(xié)同角余弦值由0.369增加到0.374，增幅為1.36%。在轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，水滴形油腔的協(xié)同角余弦值數(shù)值較大，但增速較小;橢圓形油腔的協(xié)同角余弦值數(shù)值較小，但增幅較大?？傮w來說，在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，兩種形狀油腔的協(xié)同角余弦值均值都在增加，說明兩種形狀油腔的溫度場和速度梯度場的協(xié)同性都在變好，有利于強(qiáng)化傳熱，而水滴形油腔的強(qiáng)化傳熱效果更好。轉(zhuǎn)速對提高橢圓形油腔強(qiáng)化傳熱效果的作用更大。63C49FE8-8837-41A6-9F96-3E0F71BC7209

圖9為機(jī)油填充率50%、轉(zhuǎn)速2 000 r/min，活塞行程從80 mm增大到140 mm時，冷卻油腔壁面附近區(qū)域協(xié)同角余弦值隨行程的變化曲線。如圖所示，隨著行程的增加，水滴形油腔和橢圓形油腔的協(xié)同角余弦值都在不斷增大，在行程由80 mm增加到140 mm時，橢圓形油腔壁面附近區(qū)域的協(xié)同角余弦值由0.371增加到0.374，增幅為0.85%;水滴橢圓形油腔壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)由0.515增加到0.520，增幅為0.97%。由此可見，在行程變化范圍內(nèi)，隨著行程的增大，2種形狀油腔的協(xié)同角余弦值均值都在增加，說明2種形狀油腔的溫度場和速度梯度場的協(xié)同性都變好，而水滴形油腔的強(qiáng)化傳熱效果始終優(yōu)于橢圓形油腔，但行程對提高水滴形油腔強(qiáng)化傳熱效果的作用更大。

4結(jié)論

1）通過對2種不同形狀內(nèi)冷油腔的速度場和溫度場分析對比可知，水滴形油腔內(nèi)流體對油腔內(nèi)、外側(cè)壁面的沖擊、流體的湍流程度以及油腔內(nèi)部產(chǎn)生的漩渦都比橢圓形油腔大;水滴形油腔的邊界層厚度小于橢圓形油腔，水滴形油腔的強(qiáng)化傳熱效果優(yōu)于橢圓形油腔。

2）通過對2種不同形狀內(nèi)冷油腔的傳熱性能進(jìn)行場協(xié)同分析可知，水滴形油腔的場協(xié)同數(shù)要大于橢圓形油腔，在不同轉(zhuǎn)速、行程下的協(xié)同角余弦值也要大于橢圓形油腔，說明水滴形油腔的傳熱效果優(yōu)于橢圓形油腔，這與之前文獻(xiàn)的研究結(jié)論是一致的。

3）場協(xié)同理論能夠很好地解釋高強(qiáng)化活塞內(nèi)冷油腔中冷卻機(jī)油的傳熱性能，運(yùn)用場協(xié)同理論指導(dǎo)高強(qiáng)化活塞內(nèi)冷油腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將為提高活塞內(nèi)冷油腔的散熱性能提供一種行之有效的方法。

本文只針對2種常見形狀的內(nèi)冷油腔進(jìn)行驗(yàn)證，證明以場協(xié)同理論解釋其強(qiáng)化傳熱性能的合理性。在后續(xù)研究中，將對Fluent軟件進(jìn)行UDF二次開發(fā)，從場協(xié)同角度對活塞內(nèi)冷油腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并擬合得到內(nèi)冷油腔設(shè)計(jì)公式，以為內(nèi)冷油腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供具體的指導(dǎo)方案。

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