發動機空心氣門振蕩傳熱特性的多相流數值模擬*

張一兵，呂建軍，袁廣輝

(1.武漢理工大學機電工程學院,武漢 430070； 2.奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖 241009)

發動機空心氣門振蕩傳熱特性的多相流數值模擬*

張一兵1，呂建軍1，袁廣輝2

(1.武漢理工大學機電工程學院,武漢 430070； 2.奇瑞汽車股份有限公司，蕪湖 241009)

建立了空心充鈉氣門內部腔體的VOF多相流分析數值模型，并利用該模型分別對空心頭和空心桿兩種氣門腔體中填充的50%冷卻介質的振蕩傳熱進行了數值模擬，分析了空心氣門腔體內冷卻介質的冷卻狀況和空心頭部直徑變化對傳熱性能的影響。結果表明：空心頭氣門的傳熱效果優于空心桿氣門；空心頭氣門腔體的振蕩傳熱平均傳熱系數隨著空心頭部直徑的增大呈先升高后下降的趨勢。

空心氣門；振蕩傳熱；多相流；數值模擬

前言

熱傳遞是自然界中普遍存在的一種現象，強化傳熱技術是學術界長期以來一直尋求發展和突破的領域。對于充有部分冷卻介質的腔體，由于腔體的高速往復運動，冷卻介質在腔體內發生強烈振蕩，并且壁面之間形成很大的相對速度，在此條件下，流體容易形成湍流，從而產生強化傳熱作用，該傳熱方式稱為振蕩傳熱[1]。

關于振蕩傳熱應用[2]，研究人員在內燃機活塞和氣門的傳熱冷卻方面進行過相關的研究。早期的研究主要是基于實驗研究，文獻[3]和文獻[4]中對實驗結果進行了歸一化，提出了基于管流公式的振蕩傳熱實驗關聯式，并廣泛應用于工程設計計算。實驗方法的缺點是缺乏系統的理論，并且基于實驗的經驗設計，對于不同的工況，可能導致傳熱效果與實驗結果有較大的出入，不能很好地反映現實情況。近年來，隨著計算機技術的發展和大型仿真軟件ANSYS-FLUENT的出現，使內燃機活塞和空心氣門的模擬實驗和數值分析研究得以深入。文獻[5]中對內冷油腔中的振蕩傳熱進行了分析，研究了環形冷油腔中機油填充率、傳熱系數等參數隨轉速、冷卻油流量的變化規律。文獻[6]中采用直接數值模擬方法對鈉冷卻氣門桿內的振蕩傳熱進行了2D數值分析，研究發現采用中空充鈉技術的排氣門在2D和3D數值模擬結果上可以看出其最高溫度與實體氣門相比顯著下降。

氣門是發動機的關鍵零件之一，在發動機中起著輸送新鮮空氣和排出燃燒廢氣的重要作用。隨著現代汽車技術的不斷提高，氣門的工作環境越來越惡劣，高溫(800～900℃)、高壓(12MPa[7])、高腐蝕的工作環境，對氣門可靠性方面的要求也越來越高，為此，需要研究人員對空心氣門[8]進行更深入的研究。

圖1 空心頭氣門結構示意圖

圖1為發動機空心頭氣門結構示意圖。研究發現，空心氣門的平均溫度較實心氣門平均降低80～150℃，并且由于空心氣門質量較輕，可有效減小氣門與氣門座圈之間的落座撞擊力，減輕氣門的磨損，延長氣門的壽命。由于氣門盤面直接與高溫燃氣接觸，在排氣過程中頸部受到高溫高壓廢氣沖刷，因此這兩部分為受熱影響最大的區域。如果將空心桿氣門改為空心頭氣門結構，則能夠通過氣門內的液態鈉將集中在頭部的熱量傳遞到桿部，降低氣門頭部的溫度。

1 數值分析模型與邊界條件

1.1 數值分析模型

流體流動同樣遵守質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[9]，對于需要得到一種或者多種不相融流體間的交界面情況分析時，可采用流體體積模型(VOF)。在VOF模型中，不同的流體組分共用一組動量方程，計算時在全流場的每個計算單元內，都記錄下各流體組分所占有的體積率。

對于所研究的腔體內填充部分冷卻介質的空心氣門模型，假設腔體內所有相的體積分數之和為1，在每個控制單元內，如果第q相流體的體積分數記為aq，那么每一個控制單元內第q相流體的體積分數會有以下情況:(1)aq=0,表示第q相流體在單元中是空的；(2)0

根據氣門結構的對稱性，將氣門數值分析模型簡化為二維模型[6]，經過75萬次近90h的迭代計算，可以得到腔體內液態鈉往復振蕩運動的模擬結果。使用Gambit專用軟件進行建模，依據模型的點、線、面的生成順序進行操作構建二維模型，然后對模型進行劃分網格和設定邊界條件。完成網格劃分后的空心氣門充鈉模型如圖2所示。

圖2 空心氣門的網格劃分和充鈉模型

空心氣門內部型腔的模型包括空心部位(圖中白色區域)和填充的冷卻介質金屬鈉(圖中黑色區域)。氣門沿x方向做高速往復運動，熱量由空心氣門腔體的頭部通過冷卻介質(液態鈉)向底部傳遞。

由于高速運動時，氣門中的液態鈉處于復雜的運動狀態，液體的雷諾數大于4 000時，液態鈉此時為湍流狀態，在模擬計算中，即含有湍流又含有氣液兩相流，因此選用剪切壓力傳輸(SST)k-ω模型，它不僅考慮了正交發散項，使方程在靠近壁面和遠離壁面都合適，而且在計算流動領域中的問題時有更高的精度和可信度；其物理模型設定為VOF多相流模型。

1.2 邊界條件的設定

本文中所建立的模型是整個封閉腔體，其邊界條件均為壁面邊界條件。其中，氣門頭部溫度設置為1 073K，氣門桿端溫度為523K[10]。由于作用于氣門頭部的熱量主要通過與氣門接觸的氣門導管、氣門座的熱傳導進行傳熱，而氣門桿與氣門導管之間為滑動摩擦接觸，氣門導管本身所處的溫度相對較低，所以更多的熱量通過氣門桿傳遞出去。為了研究液態金屬鈉在氣門腔體內部從頭部到桿部往復振蕩的傳熱效果，建模時忽略了熱量通過氣門導管等向外傳遞的情況，將氣門的頸部和桿部設置為絕熱壁面，并且假設模型中的氣門腔體不動，液態金屬鈉和氣體做相對運動。施加的運動速度為凸輪的轉速1 600r/min，在建模中利用UDF編程，將凸輪轉速轉化為往復運動的速度函數。選擇PISO算法進行求解，該方法能夠提高計算的效率，并且執行兩個附加矯正：相鄰矯正和偏斜矯正。

2 數值模擬結果

為了分析空心氣門內部腔體結構對氣門傳熱的影響，在分析中，首先將驅動氣門往復運動的凸輪轉速設置為1 600r/min，金屬鈉的填充率設為50%，然后通過改變氣門內部腔體的結構形狀來分析比較不同結構的傳熱特性。分析所采用的氣門結構參數如表1所示。

表1 模擬參數 mm

2.1 空心氣門冷卻介質流動過程數值模擬

圖3給出了轉速為1 600r/min時，空心桿氣門和空心頭氣門空腔中冷卻介質鈉的流動示意圖。圖中白色箭頭表示運動方向，黑色代表液態金屬鈉，灰色代表氣體。

圖3 空心氣門冷卻介質鈉的流動

當空心氣門在凸輪的驅動下，由上止點向下止點方向運動時，大多數的液態鈉積聚在空腔的頭部A；當氣門接近下止點時，空腔作減速運動，液態鈉在高速慣性力的作用下，已脫離頭部A撞擊到底部B。相反，當空腔由下止點向上止點方向運動時，液態鈉積聚在空腔底部B，接近上止點時，空腔作減速運動，液態鈉在高速慣性力的作用下，已脫離底部B撞擊到頭部A。由于空腔的往復運動，液態鈉在空腔內不斷地流動沖擊頭部和底部，將熱量不斷從頭部傳到桿部，實現了振蕩傳熱。

2.2 空心氣門傳熱效果分析

傳熱系數是表征傳熱過程強烈程度的標尺，而平均傳熱系數則表征了在某一條件下傳熱程度的平均大小，它可以用來解釋整體傳熱程度。

根據表1所給出的不同結構參數建立不同參數模型，計算得出的瞬時傳熱系數曲線如圖4所示。

圖4 D=16mm,d=6mm結構參數模型下的瞬時傳熱曲線

由圖4可知，瞬時傳熱系數在某個確定的數值范圍內上下波動，這是由于在運動過程中腔體內介質以氣體、液態鈉以及氣體和液態鈉的混合態存在，并且位置不同，它們的體積分數也不同，導致溫度、密度、壓力發生變化，因此瞬時傳熱系數呈現波動狀態。

由圖4的D=16mm,d=6mm結構參數模型下的瞬時傳熱曲線，經整理分析后得出其他3組平均傳熱系數隨空心頭氣門頭部直徑的變化關系，如表2所示。

表2 傳熱系數隨空心頭氣門頭部直徑變化

由表2可知：空心頭氣門比空心桿氣門的傳熱效果好，與空心桿氣門相比，空心頭氣門的最大傳熱系數提高了56%；平均傳熱系數隨著頭部直徑的增大出現先增大后減小的情況，并且在這一范圍(6～20mm)內有一個合適的頭徑與桿徑比值使傳熱效果達到最佳。

2.3 數值分析結果驗證

文獻[3]中通過對封閉冷卻腔體內的傳熱實驗數據進行歸一化處理，得到可用于驗證振蕩傳熱實驗的Bush關聯式為

(1)

式中：D1為空腔直徑；b為空腔長度；n為轉速；λ為冷卻介質的導熱率；ν為冷卻介質的運動黏度；D*為徑長比。

本數據計算中雷諾數使用公式為

(2)

式中：D為空心腔體頭部直徑；液態鈉的密度ρ=852kg/m3；液態鈉的黏度η=7.64×10-4kg/(m·s)，其余參數如表3所示。

表3 液態鈉在不同腔體直徑下的平均速度

數值模擬結果和Bush關聯式計算結果如圖5

圖5 仿真結果與Bush關聯式的對比

所示。由圖可見，大多數仿真結果與關聯式的結果趨勢一致，表明建立的模型是合理的。兩者之間存在誤差，是由于Bush關聯式研究的是同直徑下的振蕩傳熱模型，未考慮腔體頭部直徑變化作用下的液體流動的作用，雷諾數的計算使用的轉速n為曲軸轉速，而本文計算中直接使用模擬結果中的湍流速度代入式(2)，說明基于實驗的關聯式還存在些不足，應針對變直徑的情況，進一步研究和修正實驗關聯式的相關影響系數和參數。

3 結論

(1) 應用FLUENT軟件和VOF多相流模型對發動機空心氣門腔體內金屬鈉和氣體高速振蕩流動與傳熱進行了計算，分析得出振蕩傳熱有助于提高空心氣門的傳熱效率。

(2) 空心頭結構的氣門傳熱冷卻效果優于空心桿結構的氣門傳熱效果。

(3) 當空心氣門腔體內液態鈉的填充率為50%時，在腔體的桿徑與長度不變的條件下，選擇合適空心頭氣門的直徑尺寸可以使傳熱系數最大提高56%。

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Multiphase Flow Numerical Simulation on the Oscillating HeatTransfer Characteristics of Engine Hollow Valves

Zhang Yibing1, Lü Jianjun1& Yuan Guanghui2

1.SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070；2.CheryAutomobileLimitedbyShareLtd.,Wuhu241009

A VOF multiphase flow analysis model for the inner cavity of sodium filled hollow valves is established, with which a numerical simulation is conducted on the oscillating heat transfer of both head-shaped and rod-shaped hollow valves filled with 50% volume of cooling medium, and the influences of cooling condition and hollow head diameter on heat transfer performance are analyzed. The results show that the heat transfer effect of head-shaped hollow valve is better than that of rod-shaped hollow valve, and for head-shaped hollow valve, with the increase of the diameter of hollow head, the change of average oscillating heat transfer coefficient exhibits a tendency of rise first and then fall.

hollow valve; oscillating heat transfer; multiphase flow; numerical simulation

*國家自然科學基金(51205297)資助。

2016231

原稿收到日期為2015年9月21日，修改稿收到日期為2015年12月30日。