噴油速度對活塞油腔瞬態流動傳熱的影響

張國銳 石磊 劉曉日 李玉杰

摘要：活塞是發動機各個部件中的核心部件，且活塞處于高溫環境下工作，因此活塞的冷卻就顯得尤為重要。增加活塞內冷油腔對活塞進行噴油冷卻是降低活塞溫度、改善活塞運行工況最為有效的方法。由于活塞在實際工況中是處于運動狀態，因此需要采用瞬態計算。本研究主要利用ANSYSFLUENT軟件對活塞噴油冷卻進行數值模擬，研究了不同的噴油速度下活塞內冷油腔中冷卻油的體積分數，油腔內冷卻油的相對運動速度，油腔的邊界傳熱量的變化規律。從而得出活塞噴油速度對油腔傳熱邊界的影響規律。利用得到的規律可以為內燃機的設計提供合理的建議與解決方案。

Abstract： The piston is the core part of the engine components， and the piston works in high temperature environment， so the cooling of the piston is particularly important. It is the most effective way to reduce the temperature of the piston and improve the working condition of the piston by using the cooling gallery.Because the piston is in motion at the actual working condition， so the transient calculation is needed. In this study， ANSYS FLUENT software is used to simulate the injection cooling of the piston. The volume fraction of cooling oil ， the relative movement speed of the cooling oil in the piston gallery and the heat transfer at the boundary of the piston gallery are studied under different injection speeds. The influence law of cooling oil injection speed on heat transfer boundary of pistongalleryis obtained. The obtained rules can provide reasonable suggestions and solutions for the design of internal combustion engine.

關鍵詞：活塞;瞬態模擬;內冷油腔;傳熱邊界;噴油速度

Key words： piston;transient simulation;piston gallery;heat transfer boundary;injection velocity

中圖分類號：TK401? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0009-04

0? 引言

隨著柴油機功率和性能的提高，柴油機中的活塞承受更高的熱負荷，在發動機運行期間，活塞長時間遭受周期性的機械負荷和熱負荷，并且更高的熱負荷會縮短活塞工作壽命[1-3]。活塞在運行過程中過高的熱負荷會導致活塞失效進而導致發動機故障[4]，降低活塞熱負荷最為有效的方法是活塞噴油冷卻[5]。黃鈺期等人[6]通過對兩相流振蕩的流型進行辨識和分類，發現當雷諾數達到20000以上時，兩相流振蕩的流動狀態會發生明顯變化，流動進入強湍流狀態。文均等[7]采用薄膜熱電偶測溫法和引線式傳輸系統，對發動機過渡工況下活塞頂面測點瞬態溫度場變化規律進行了試驗測試研究。J.Lv等人[8]通過使用簡化的可見封閉通道來模擬不同發動機轉速下納米顆粒的流動，探索了振蕩流動的機制。隨著計算機技術的發展，CFD技術已經成為研究發動機中流動與傳熱的重要手段，有效的輔助了活塞熱狀態的評估和結構設計。Y. Yong等人[9]建立了一個帶有動網格模型和VOF（流體體積）模型的數值模型，研究了發動機轉速、噴油嘴直徑等對噴油冷卻的影響。山東大學仲杰等人[10]對內冷油腔的冷卻進行了Fluent仿真，研究了活塞處于不同的曲軸轉角時，內冷油腔中的機油體積分布和機油質量流量。胡定云等人[11]通過CFD建立了活塞振蕩油腔瞬態計算模型，利用Fluent動網格法模擬活塞往復運動進行數值仿真，分析了機油流動形態及傳熱情況和壁面傳熱系數等的變化規律。Torregrosa等人[12]對活塞內冷油腔的傳熱過程進行了研究，并獲得了影響傳熱系數的相關因素的特性。張衛正等人[13]通過運用CFD方法對活塞噴油冷卻進行了瞬態模擬，得到了不同轉速下冷卻油腔的機油填充率等參數隨曲軸角度變化的規律。

本文研究主要是采用數值模擬的方法，通過建立活塞內冷油腔的VOF模型，采用動網格的辦法，針對不同的噴油速度與活塞速度之間的關系進行分析，最終得出噴油速度對活塞內冷油腔瞬態機油體積分數、流動速度和傳熱邊界的影響。

1? 模型建立

在整個活塞噴油冷卻過程中，內冷油腔中的空氣、冷卻油、油腔壁面之間會互相產生對流換熱。但是起主要作用的是冷卻油，冷卻油與活塞的換熱量遠大于其他形式之間的換熱。所以本文主要考慮冷卻油與活塞之間的換熱，不考慮其他形式的換熱。本文采用兩相流來對內冷油腔機油流動情況進行研究[14，15]。且模型的建立基于以下四種假定條件，J.Pan等人[16]和W.Zhang等人[17]所得出的結論表明以下四種假定是合理的：

①在給定的發動機工況中，入口溫度恒定;

②假定多相流中的氣相與液相之間沒有能量轉換;

③氣體適用于理想氣體定律，冷卻油為不可壓縮且不蒸發的粘性流體;

④假定液相油沒有發生相變。

1.1 VOF模型

VOF模型應用于兩種或兩種以上互不相容且不發生相變的流體，通過追蹤區域內各個流體的體積分數來模擬多相流。函數F表示在計算區域中液相的體積分數，且在每個控制單元中液相與氣相的體積分數之和是1。VOF模型在整個計算區域內對互不相容的兩相進行同一動量方程組的求解。F函數的定義如下：

函數F的對流運輸方程如下所示：

式中v是每個單元格內的流體速度。

1.2 k-ε湍流模型

k-ε湍流模型是計算流體力學中最常應用的模型，本次計算中也應用了k-ε模型，其中湍流動能k及其耗散率ε由下列輸運方程得出：

式中，Gk表示由于平均速度梯度而產生的湍流動能。Gb是湍流動能，根據k-ε模型中浮力對湍流的影響進行計算。C1ε，C2ε和C3ε是常量。σk和σε分別是k和ε的湍流普朗特數。

2? 控制方程

2.1 動量方程

求解控制單元內的單一動量方程時，各個相的速度場是共享的，計算公式如下：

在上式中p為控制單元的壓力，τxx、τxy、τxz為粘性力τ的分量，ρ為流體密度。

2.2 能量方程

求解整個區域的能量方程如下所示：

在上式中k為有效熱導率，Cp是比定壓熱容，T為溫度，ρ為流體密度。

3? 網格處理及邊界條件

3.1 網格處理

活塞下止點位置的網格模型如圖1所示，入口設置為速度入口，出口設置為壓力出口。

活塞的運動形式較為單一，針對活塞特定的運動形式，在Fluent中選擇動態層方法劃分動網格。Fluent中提供了活塞運動模型（即In-Cylinder模型），激活活塞運動模型，設置活塞轉速為1900r/min，起始曲軸轉角為180°，此時活塞位于下止點。

3.2 邊界條件

計算區域入口處采用速度入口，因為要探索噴油速度對活塞油腔瞬態流動傳熱的影響，因此選用27m/s，23.5m/s，20m/s，16.5m/s，13m/s的噴油速度。因為油腔與曲軸箱是聯通的，曲軸箱內部氣體壓力變化不明顯，因此計算區域出口處選擇的是壓力出口邊界條件。利用Fluent動網格技術實現活塞的運動規律。

初始時刻油腔內部均為空氣，入口油的溫度設為368K，采用動態時間步長進行計算。在計算過程中，采用監控機油填充率來判斷計算結果是否可用。當機油填充率只與曲軸轉角有關，且各個循環之間變動較小時，可認為此計算結果有效，取此次計算結果進行分析。

4? 結果分析

在發動機運行期間，不同的輸出功率需要不同的發動機轉速，本文主要研究1900r/min的轉速下不同噴油速度對油腔傳熱邊界的影響，此轉速下活塞運行最大速度為16m/s。對環形內冷油腔沿活塞軸向方向進行剪切獲得兩個截面，對截面上的冷卻油體積分數進行積分，并與截面積作比值得到冷卻油的平均體積分數，以此作為油腔內的冷卻油體積分數。圖2為不同的噴油速度下內冷油腔內冷卻油的體積分數。

由圖2可知，冷卻油體積分數大致呈先增加后降低再增加的趨勢，這是因為活塞從上止點運動到下止點時，活塞與冷卻油相向而行，此時冷卻油能較好的充入內冷油腔中。圖2所示為不同的噴油速度下內冷油腔中冷卻油的體積分數。噴油速度為13m/s時冷卻油體積分數最大值為12.1%，出現在90°，最小值為8.6%，出現在270°。噴油速度為16.5m/s時冷卻油體積分數最大值為12.9%，出現在180°，此時的冷卻油體積分數與90°時大小相當，最小值為10.5%，出現在270°。噴油速度為20m/s時冷卻油體積分數最大值為12.9%，出現在180°，最小值為12%，出現在270°。噴油速度為23.5m/s時冷卻油體積分數最大值為13.2%，出現在90°，最小值為12.6%，出現在270°。噴油速度為27m/s時冷卻油體積分數最大值為13.2%，出現在270°與360°，最小值為13.1%，出現在180°。在機油體積分數方面，本文所研究的轉速1900r/min工況與X.Deng等人[2]所研究的1800r/min工況呈現類似規律，即活塞由上止點運行到下止點過程中，機油體積分數呈現增加趨勢，由下止點運行到上止點過程中，呈現先降低后增加的趨勢。

分析圖2中的曲線可知，最小值點多出現于270°，這是因為活塞由下至上運動，會出現冷卻油追不上活塞的現象，因此，噴油速度不能過低。20m/s到27m/s的噴油速度之間，雖然體積分數有所增加，但是增加的幅度不明顯。冷卻油的體積分數代表了油腔內冷卻油占整個油腔容積的百分比，當冷卻油的體積分數較低時，油的破裂成油滴的程度會更加劇烈，但是由于油滴數量過少導致油滴不能夠與油腔內壁面進行充分的熱交換，最終達不到理想散熱效果。隨著噴油速度的增加，油腔內冷卻油體積分數也會增加，但是此時油腔內大部分充滿的都是冷卻油，冷油不能很好的破裂成油滴，這就導致了不良的散熱效果。綜上所述，噴油速度應該保持在一個合理范圍內。

圖3所示為不同噴油速度下油腔內冷卻油的速度差代數值，冷卻油在進入油腔后，往兩個方向運動，因此對環形內冷油腔沿活塞軸向方向進行剪切獲得兩個截面，進一步計算獲得各個截面的冷卻油平均速度，將兩個截面的冷卻油平均速度作差并取絕對值作為速度差代數值。圖4所示為不同噴油速度下油腔內冷卻油的速度差相對值，速度差相對值由速度差代數值與最大冷卻油平均速度作比值得到。數值越大，左右兩側冷卻油的流動越不均勻，同時換熱程度也就越不均勻。在13m/s與20m/s的噴油速度之間，活塞從上止點開始運行到下止點前，靠近入口側的冷卻油速度大于靠近出口側的冷卻油速度，而從下止點開始到上止點前靠近出口側的冷卻油速度大于靠近入口側的冷卻油速度。在23.5m/s與27m/s噴油速度之間，靠近出口側的冷卻油速度均大于入口側的冷油速度。在13m/s時，速度差代數值最大值為1.417m/s，出現在270°，最小值為0.171m/s，出現在180°。在16.5m/s時，速度差代數值度最大值為1.379m/s，出現在270°，最小值為0.447m/s，出現在90°。在20m/s時，速度差代數值最大值為1.469m/s，出現在270°，最小值為0.081m/s，出現在90°。在23.5m/s時，速度差代數值最大值為1.331m/s，出現在270°，最小值為0.007m/s，出現在90°。在27m/s時，速度差代數值最大值為1.692m/s，出現在270°，最小值為0.66m/s，出現在90°。圖4中冷卻油的速度差相對值最大值點均出現在270°，最小值點均出現在90°與180°，且只有13m/s時的最小值點出現在180°。

圖5為不同噴油速度下邊界傳熱量，分析可知，在噴油速度為13m/s時，邊界傳熱量最大值為0.19kw/m2，出現在180°，最小值為0.106，出現在360°。在噴油速度為16.5m/s時，邊界傳熱量最大值為0.237kw/m2，出現在180°，最小值為0.116，出現在360°。在噴油速度為20m/s時，邊界傳熱量最大值為0.264kw/m2，出現在180°，最小值為0.143kW/m2，出現在360°。在噴油速度為23.5m/s時，邊界傳熱量最大值為0.304kW/m2，出現在180°，最小值為0.165，出現在0°。在噴油速度為27m/s時，邊界傳熱量最大值為0.331kW/m2，出現在180°，最小值為0.185kW/m2，出現在0°。綜上所述，邊界傳熱量的最大值點都出現在180°，最小值點均出現在0°或者360°，也就是上止點位置。

5? 結論

①活塞內冷油腔的冷卻效果受冷卻油的噴油速度影響較大，要獲得較好的冷卻效果，冷卻油的噴油速度必須保持在一個合理的范圍內。②同一轉速下，隨著噴油速度的增加，內冷油腔內的冷卻油體積分數與邊界傳熱量也隨之增加，當噴油速度增加到一定程度時，內冷油腔內的冷卻油體積分數與邊界傳熱量的增長幅度不再隨著噴油速度的增加出現明顯的變化。

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