柴油機機油散熱模塊參數(shù)優(yōu)化與試驗研究

黎仕增

（廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，廣西 南寧 530007）

1 引言

機油散熱器的冷卻效率對提高發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的工作性能具有重要的作用。機油散熱器是發(fā)動機的重要部件，在高性能、大功率的發(fā)動機上，能夠有效降低機油溫度，防止機油壓力偏低，造成燒軸瓦等故障，從而保證發(fā)動機的正常運轉(zhuǎn)。目前，大功率柴油機上的機油散熱器主要采用液冷板翅式結(jié)構(gòu)，布置在潤滑油路上，靠發(fā)動機冷卻液進行冷卻。文獻[1-2]采用CFD技術(shù)對機油散熱器內(nèi)部機油流動均勻性進行了數(shù)值模擬研究，并對其內(nèi)部壓強分布情況進行了預(yù)測。文獻[3]采用ANSYS的APDL程序?qū)Π宄崾綑C油散熱器芯片的層數(shù)進行了優(yōu)化。文獻[4]對平直翅片型油冷卻器傳熱與流阻性能實驗研究。以上研究多是對單一的散熱器進行了仿真分析或在試驗臺上進行了研究，對發(fā)動機的整體機油散熱模塊在實際工作環(huán)境下的傳熱性能研究較少。

按照某款大功率柴油機實際機油散熱模塊結(jié)構(gòu)建立三維CFD計算模型，對板翅式液冷機油散熱器進行了CFD數(shù)值模擬，得到了發(fā)動機機油散熱器內(nèi)部翅片的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳組合，分析了發(fā)動機不同工況下冷卻液流量和溫度對散熱功率的影響，通過試驗對仿真結(jié)果進行了驗證，仿真結(jié)果對發(fā)動機機油冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和改進提供了指導(dǎo)。

2 數(shù)值仿真

2.1 計算模型

圖1 周期單元模型Fig.1 Cycle Unit Model

板翅式機油散熱器內(nèi)部采用鋸齒形翅片結(jié)構(gòu)，如圖1所示。機油側(cè)每層寬度為4mm，每層板翅之間距離為2mm。由于散熱器整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法對散熱器進行仿真，因此將散熱器芯體的翅片區(qū)域簡化為多孔介質(zhì)來模擬流體的流動和熱交換。為了得到多孔介質(zhì)計算模型中的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)即散熱器芯部的壓降與速度的關(guān)系式，選取一個周期單元作為研究對象，為了保證流體在入口和出口的流動平穩(wěn)性，將單元入口段與出口段延長水力直徑的2.5倍與5倍[5]。為了能夠得到整體散熱器的內(nèi)部流場的變化情況，對某款柴油機機油散熱器及水道進行三維建模，如圖2所示。冷、熱流體采用逆流的方式進行熱交換，機油散熱器共有7片板翅。

圖2 冷卻模塊Fig.2 Cooling Module

2.2 控制方程

CFD計算中采用的基本控制方程如下[6-7]：

多孔介質(zhì)的動量模型：多孔介質(zhì)傳熱的標(biāo)準能量輸運方程[8]：

在多孔介質(zhì)中計算熱量傳遞時使用有效導(dǎo)熱系數(shù)，其值是由流體的導(dǎo)熱系數(shù)和固體的導(dǎo)熱系數(shù)的體積平均值計算得到：

2.3 網(wǎng)格劃分

對單元體劃分網(wǎng)格時，對流場影響較大的翅片區(qū)域劃分邊界層，并進行了網(wǎng)格加密處理，如圖3（a）所示。采用規(guī)則的六面體網(wǎng)格和四面體混合網(wǎng)格劃分；對整體進行網(wǎng)格劃分時，芯部規(guī)則結(jié)構(gòu)采用六面體網(wǎng)格進行劃分，兩側(cè)封頭結(jié)構(gòu)不規(guī)則采用混合網(wǎng)格劃分，如圖3（b）所示。

圖3 計算網(wǎng)格Fig.3 Computational Mesh

3 CFD仿真結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及性能分析

文獻[9-10]通過如下的計算方法來表示翅片的強化傳熱能力，性能評價因子JF值越大，表明翅片的綜合性能越好。計算公式為：

根據(jù)式（6），對不同的翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)組合進行了CFD仿真，得到了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的最佳組合，如表1所示。可以根據(jù)不同功率的柴油機對散熱的需求來選擇合適的尺寸參數(shù)。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural Parameters

為得到機油散熱模塊內(nèi)部整體的換熱情況，對發(fā)動機某一工況下機油散熱模塊進行了數(shù)值仿真研究，整體溫度仿真結(jié)果，如圖4所示。從圖4（a）溫度云圖可知，機油散熱器入口處溫度較高為110℃，沿著流動方向機油被冷卻后溫度逐漸降低，出口處溫度已經(jīng)降到89℃，冷流體和熱流體逐層交叉逆向流動，散熱器內(nèi)部溫度成梯度分布，實現(xiàn)了冷熱流體間逐步換熱。此外，底層的溫度梯度變化比頂層快，表明底層的冷卻效果優(yōu)于頂層，主要原因是流速較快，導(dǎo)致底層壓力較高，因此通過底層的流量最大。由于冷卻液流量較大，所以冷卻液溫度變化較小。從圖4（b）可知，溫度關(guān)于芯片呈對稱分布，從機油入口到出口梯度降低，這是由于機油的入口在模型中間處，機油流量分布不均勻，中間處流量較大，兩側(cè)流量較小的緣故；由于越靠近出口冷卻液溫度越低，機油溫度沿流動方向降低的梯度逐漸增大。

圖4 冷卻模塊仿真結(jié)果Fig.4 Cooling Module Simulation Results

3.2 冷卻液對散熱器性能的影響

發(fā)動機在不同的工況下運行時，由風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制冷卻液的溫度在很小的變化范圍內(nèi)，主要變化的是流量。因此主要研究冷卻液的流量對機油散熱器散熱性能的影響，對機油溫度為110℃、冷卻液溫度為90℃，對冷卻液流量分別為6、9、12m3/h下散熱器的散熱性能進行了仿真研究。由圖5可知：對不同的冷卻液流量，隨著機油流量的增加散熱功率逐漸增大，但增加的速率逐漸減小，機油流量高于80L/min時對散熱功率的影響較小；冷卻液流量每增加3m3/h，散熱功率提高約5kW。仿真結(jié)果表明，冷卻液流量對機油散熱器散熱功率的影響較大。由圖6可知：隨著機油流量的增加，JF呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，在70L/min時JF的值在大，表明此時散熱器的綜合工作性能最優(yōu)。機油流量高于85L/min后，JF的值下降較快，綜合性能較差。通過比較不同的冷卻液流量下的JF值，冷卻液流量越高，JF的值越低，表明冷卻液流量對散熱器的性能具有重要的影響。因此，冷卻液流量最好不要高于9m3/h。

圖5 不同冷卻液流量下的散熱功率Fig.5 Heat Transfer Power under Different Coolant Flow

圖6 不同冷卻液流量下的換熱性能Fig.6 Heat Exchange Performance under Different Coolant Flow

3.4 機油溫度和流量對散熱功率的影響

為了研究機油流量和溫度的變化對機油散熱器散熱性能的影響，對冷卻液溫度為80℃、流量為9m3/h下，不同機油溫度和流量時散熱器的散熱性能進行了仿真，仿真結(jié)果，如圖7所示。當(dāng)機油流量一定時，機油溫度越高散熱功率越大，大致呈線性關(guān)系，溫度每升高5℃，散熱功率增加約10%；當(dāng)機油溫度一定時，機油流量越大，散熱功率也越大，隨著機油流量的增加，散熱功率增加的速率逐漸增加。總體來看，機油流量越大、溫度越高，散熱功率就越大。

圖7 不同機油參數(shù)下的散熱功率Fig.7 Heat Transfer Power under Different Oil Parameters

4 試驗研究

4.1 試驗系統(tǒng)

為了驗證仿真結(jié)果的準確性，在發(fā)動機試驗臺架上測試機油散熱器的散熱性能，如圖8所示。試驗中的主要設(shè)備為FC2000發(fā)動機測控系統(tǒng)，濰柴六缸增壓中冷柴油機，額定功率為220kW，采用長城15W/40型號機油，復(fù)合電子機油壓力溫度傳感器。通過不斷改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速，測量1500、1700、1900、2100、2300r/min時散熱器內(nèi)部機油的流量和溫度變化。

圖8 試驗系統(tǒng)Fig.8 Experimental System

4.2 試驗結(jié)果及分析

根據(jù)發(fā)動機速度特性試驗結(jié)果計算得到轉(zhuǎn)速與散熱器散熱功率的關(guān)系，如表2所示。由表2可知：模擬值和試驗值的變化趨勢相同，轉(zhuǎn)速越高散熱器的散熱功率越大；轉(zhuǎn)速每增加200r/min，散熱功率提高約3%，這是由于機油流量增大時，翅片的擾動作用增強，致使換熱系數(shù)增大的結(jié)果；試驗值和模擬值吻合較好，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500r/min時誤差最大為9.2%，轉(zhuǎn)速越高，誤差越小。試驗結(jié)果表明：所建立的計算模型準確可靠，將翅片區(qū)域簡化為多孔介質(zhì)模型進行耦合傳熱仿真能夠較好的預(yù)測柴油機機油散熱模塊的傳熱性能，為板翅式散熱器的整體仿真提供了一種可行的研究方法，為進一步對機油散熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

表2 試驗值與仿真值對比Tab.2 Comparison Between Simulation and Test Values

5 結(jié)論

將散熱器翅片區(qū)域簡化為多孔介質(zhì)模型，對機油散熱模塊的散熱性能進行了仿真研究，得到了不同翅片結(jié)構(gòu)的最佳參數(shù)組合；仿真結(jié)果表明：冷卻液流量越大、溫度越低，散熱器的散熱功率越高，反之則越低；機油入口溫度越低、流量越小，散熱器的散熱功率越低，反之則越高。最后，在發(fā)動機臺架上進行了運行試驗，更符合實際工作環(huán)境，試驗結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)吻合較好，散熱功率最大誤差為9.2%，誤差在允許的范圍內(nèi)，表明了此研究方法的可行性，為機油散熱器的設(shè)計和優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

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