活塞振荡冷却的数值模拟计算及温度场分析

吴倩文, 张敬晨, 庞铭, 解志民, 胡定云, 胡玉平

(1. 山东大学能源与动力工程学院， 山东 济南 250061； 2. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)



活塞振荡冷却的数值模拟计算及温度场分析

吴倩文1, 张敬晨1, 庞铭2, 解志民2, 胡定云2, 胡玉平1

(1. 山东大学能源与动力工程学院， 山东 济南 250061； 2. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

利用CFD动态网格层变法建立了活塞振荡冷却的瞬态计算模型，并应用VOF模型对活塞的振荡冷却进行了瞬态数值模拟计算。分析了活塞在不同位置时油腔内冷却油的流动情况，得到了内冷油腔的机油填充率、壁面传热系数等随曲轴转角的变化规律。为验证其冷却效果，提取了内冷油腔壁面的换热边界，对活塞的温度场进行了有限元模拟计算，并与试验结果进行了对比，为活塞的优化设计提供了依据。

活塞； 内冷油腔； 振荡传热； 温度场

随着内燃机功率密度的不断提升，活塞所承受的热负荷也越来越严重，对活塞进行冷却成为内燃机行业所关注的问题。振荡冷却作为一种非常高效的强化传热方式，在现代柴油机活塞中得到了广泛应用[1]。对于采用振荡冷却技术的活塞，通过冷却油腔带走的热量占传给活塞总热量的60%～70%[2]，极大地降低了活塞的热负荷。

由于活塞的冷却效果受到冷却油腔形状、喷孔直径、发动机转速等多种因素的影响，而且测量油腔内实际振荡及换热状态难度较大，因此，随着计算机技术的发展，活塞振荡冷却的数值模拟计算逐步得到应用。Hidehiko Kajiwara[3]等运用CFD方法研究了活塞油腔振荡传热问题，并对活塞的冷却系统进行了优化；Yong Yi[4]等人利用数值模拟与试验相结合的方法验证了内冷油腔的振荡传热数值模型的准确性；北京理工大学张卫正[5]等人应用CFD数值模拟方法研究了转速对内冷油腔的流动和传热特性的影响。

对于带内冷油腔的活塞温度场计算，内冷油腔壁面的传热系数多采用经验公式[6-8]。但在实际喷油冷却过程中，内冷油腔壁面的传热系数随活塞运动不断变化，分布极不均匀。因此，如果仅用经验公式求解内冷油腔的对流传热系数，温度场结果很可能与实际相差很大。2012年，山东大学仲杰[9]将活塞内冷油腔壁面的传热系数和温度进行了时间和空间平均，将所得的平均传热系数和平均边界温度作为活塞温度场计算的第三类边界条件，然而对内冷油腔不同区域作空间平均并不能准确说明内冷油腔具体位置处的换热情况。

本研究利用Fluent动网格技术和VOF多项流模型对柴油机活塞的振荡冷却进行了瞬态模拟计算，分别得到了活塞位于不同位置时冷却油的流动和换热情况，并提取了内冷油腔的瞬态传热系数作时间平均，将其投影到活塞有限元网格上作为温度场计算的换热边界条件。最后，对活塞关键位置进行热电偶温度测量，通过试验温度和计算温度的对比来验证内冷油腔的振荡传热模型。

1 计算模型的建立

1.1 几何模型与网格划分

图1示出了采用振荡冷却的某型柴油机活塞及冷却油腔的示意。活塞振荡冷却，即在活塞头部铸出内冷油腔，冷却机油由固定在机体上的喷油嘴高速喷入冷却油腔，利用机油在随活塞运动过程中产生的振荡冷却活塞[10-11]。

为准确模拟活塞运动规律，采用Fluent动态网格层变法建立喷油流场的动网格模型，活塞经过90°曲轴转角时，油腔的网格模型见图2。为了简化模型并得到适用于计算的六面体网格，将冷却喷嘴以下的流体空间区域简化成圆柱体。由于油腔近壁面处的速度和温度都存在很大的梯度，数值变化剧烈，因此对近壁面处的网格进行了细化。

利用冷却油在内冷油腔内的高速振荡可以强化传热，然而要判断内冷油腔的冷却效果是否满足要求，最终要对活塞的温度场进行计算[12-13]。按活塞的实际尺寸建立有限元模型，作为活塞温度场计算的固体计算区域(见图3)。模型网格以四面体为主，为了得到精确的温度分布，在保证活塞形状的基础上，网格单元数目为20万。

1.2 VOF模型

计算采用的多项流模型为Fluent提供的隐式VOF模型，并激活区域离散化模型。采用这种模型可以得到互不相融的流体之间清晰的交界面。在VOF模型中，各流体组分共用一套动量方程，在流场的每个单元内，都会计算各流体组分所占的体积分数，各相的体积分数之和等于1[14]。活塞的振荡冷却传热是一个多维、多相、非定常的复杂过程，建立一个考虑各种因素的瞬态多相流模型是极其复杂的，因此假设不考虑油的蒸气相，并认为空气与冷却油互不混合，两者属于分层自由面流动，可应用VOF模型进行求解。

1.3 CFD计算边界条件

利用Fluent软件进行求解时，采用PISO算法。初始时，计算区域内均为空气介质；由于机油和空气的热物理性质随温度而变化，因此机油和空气的热物理属性拟合为关于T的多项式函数；入口为速度入口，喷嘴出口速度为32.8 m/s，温度为343 K，出口为压力出口；壁面使用增强壁面函数，它使用双层区域模型(黏性影响区域和充分湍流区域)给边界层分区，双层模型利用另一个方程封闭壁面的湍流黏性系数来求解壁面附近的速度与温度场，因此具有较高的精度，由于油腔近壁面布置了足够的网格，使用增强壁面函数能够对近壁效应进行有效的计算。冷却油腔壁面温度由活塞温度场计算所得到的结果获取(见图4)。

1.4 有限元计算边界条件

利用有限元法求解活塞的温度场一般釆用第三类边界条件，即已知活塞边界上的流体温度和传热系数。活塞环区、活塞裙部外侧以及内侧腔的温度和当量热交换系数由试验修正获取；对于活塞顶面燃气侧的温度和传热系数，由三维数值模拟软件模拟缸内工作过程，将计算所得瞬态壁面传热信息在一个周期内取均值后投影给有限元网格，最后得到的活塞顶面燃气温度和传热系数分布见图5和图6。内冷油腔的温度和传热系数由喷油冷却的瞬态计算结果进行时间积分平均后投影给有限元网格。

2 计算结果与分析

2.1 冷却油腔流动分析

图7示出了活塞处于不同位置处油腔的机油分布。活塞由上止点向下止点运动的过程中，开始时活塞加速向下运动，活塞瞬时速度大于机油向下的流速，机油克服重力作用主要积聚在油腔的顶部；当活塞到达下止点前开始减速运动，机油在重力作用下脱离油腔顶部，底部的机油量开始增多。同理，活塞由下止点向上止点运动过程中，在加速阶段机油大多数积聚在内冷油腔的底部，当活塞到达上止点之前时，活塞开始减速运行，机油在惯性作用下脱离油腔底部撞击到顶部，顶部流量又开始增多。因此，活塞运动导致机油在内冷油腔内高速振荡，可以大大增强传热效果。

图8示出了冷却油腔机油填充率随曲轴转角的变化规律，图9示出了冷却油腔进出口机油质量流量与活塞速度随曲轴转角的变化规律。结合图8与图9可知，不同曲轴转角下，瞬时机油填充率的变化规律与活塞进出口的瞬时流量密切相关。活塞由上止点向下加速的过程中，冷却油入口速度与活塞相对运动速度越来越大，流入和流出油腔的机油质量流量随之增大，喷入油腔的机油流量大于油腔出口机油流量，从而使油腔内机油总滞留量增多；当活塞开始减速时，积聚在油腔顶部的机油在惯性作用下脱离油腔顶面，聚集在油腔下壁面，因此流出内冷油腔的机油质量流量逐渐增大，在120°曲轴转角附近，流入和流出冷却油腔的机油量相等，此时内冷油腔的机油填充率达到最大；120°曲轴转角后，流出内冷油腔的机油流量开始大于喷入的机油流量，油腔内的机油填充率开始减小；活塞到达下止点后开始加速上行，冷却油入口速度与活塞相对速度变小，喷入的冷却油随之减小，冷却油聚集在油腔下表面，流出的机油流量增大，使得内冷油腔的机油填充率持续减小；当活塞开始减速运动时，冷却油在惯性作用下脱离油腔底部撞击到顶部，喷入内冷油腔的油开始增多，在330°曲轴转角附近，流入和流出的冷却油相等，此时机油填充率达到最低；330°曲轴转角后，流入内冷油腔的机油流量开始大于流出的机油流量，油腔内的机油填充率又开始增大。

2.2 冷却油腔换热分析

图10示出了油腔壁面平均对流传热系数随曲轴转角的变化规律。对比图8与图10可以看出，1个循环内油腔壁面平均传热系数的变化趋势与油腔内的机油填充率变化趋势相似，但前者较后者有滞后期。这是由于下止点时活塞运动方向改变，机油由于惯性作用冲击壁面，湍流流动加强，有利于传热，故在下止点后，传热系数达到最大。在120°曲轴转角处，内冷油腔的机油填充率虽然最大，但相对于下止点而言，此时的湍流流动较弱，因此其传热系数小于下止点处。

图11示出了活塞处于不同位置处冷却油腔壁面的传热系数分布。为了直观地分析，将油腔表面分为4个区域(见图12)，油腔表面分区后的平均传热系数随曲轴转角的变化趋势见图13。由图可知，冷却油腔顶面的传热系数较高，这是由于活塞下行时活塞运动方向与机油入口速度方向相反，上表面受机油撞击强烈，冷却油主要积聚在油腔顶部，上表面传热系数不断增大，而下表面的传热系数减小。实际上，油腔顶面的传热系数高，这更有利于对活塞顶部燃烧室边缘和环槽处高温的有效冷却。当活塞上行时，冷却油主要积聚在油腔底部，但由于活塞速度与机油流速同向，减缓了机油对底部的撞击作用，因此下表面传热系数开始缓慢增大，而上表面传热系数开始减小。此外，由于油腔的内外两侧受机油的冲击作用较弱，因此壁面的传热系数变化较小。

2.3 活塞温度场分析

内冷油腔的振荡传热效果与油腔中的机油填充率密切相关。油腔内机油填充率过高或过低，都会使振荡传热效果变差，不利于活塞的冷却。为充分利用振荡换热，机油填充率应在30%～60%之间[15]。为了进一步验证其传热效果，应对活塞的温度场进行进一步的计算分析。

图14示出了无内冷油腔和带有内冷油腔的活塞外表面温度场分布。无冷却时活塞最高温度为378.9 ℃，有冷却时活塞最高温度为354.2 ℃，温度下降了约24 ℃。加入内冷油腔后，活塞燃烧室和第一与第二环岸温度均下降20 ℃左右，活塞裙部和底部中心的温度下降并不明显。由此可见，此活塞的内冷油腔对活塞顶面和环岸的高热负荷起到了显著的冷却作用。

图15示出了带有冷却油腔时活塞中心截面和活塞顶面温度场分布。由图可见，活塞高温区主要集中在燃烧室中心以及燃烧室喉口处，温度是从活塞头部到裙部下缘沿轴向逐渐降低。活塞顶面不同区域温度差别较大，由燃烧室中心到底部凹坑到周边温度先降后升，在燃烧室中心温度最高。其原因是燃烧室中心受到高温燃气强烈的热辐射作用，周边受到挤流作用的影响，两者是热气流的高速区，与内冷油腔的传热路线长，尤其是燃烧室中心无法得到冷却；而底部与油腔的传热路线短，受冷却作用影响，所以温度要低于燃烧室中心和周边。

3 数值计算的试验验证

本研究对活塞关键位置的温度进行测量，通过温度的对比来验证内冷油腔的振荡传热效果，并验证数值模拟的准确性。测量工况下柴油机的主要参数见表1，测温点布置见图16，测温数据见表2。计算温度值与实测温度值最大误差为3.18%，最大误差点在活塞顶面燃烧室周边凸台测点处；整体误差在5%以内，仿真结果与试验结果吻合良好，表明建立的模型及数值模拟方法是合理的。

表1 柴油机的主要参数

表2 活塞实测温度和计算温度对比

喷油冷却 CFD 计算的最终目的就是为活塞温度场计算提供第三类边界条件。由试验结果对比分析可知：与经验公式相比，本研究采用的由CFD 瞬态计算结果获取一个周期内的时均温度和对流传热系数的方法更符合实际情况。

4 结论

a) 不同曲轴转角下的瞬时油腔机油填充率与冷却油进出口的瞬时流量密切相关，120°曲轴转角处进出口流量相等，机油填充率达到最高，330°曲轴转角处机油填充率最低；油腔的传热系数与机油填充率变化规律相似，但存在滞后期；

b) 温度从活塞头部到裙部下缘沿轴向逐渐降低，高温区主要集中在燃烧室中心以及喉口处,内冷油腔对活塞顶面和环岸的高热负荷起到了显著的冷却作用；

c) 通过活塞热电偶测温试验结果与计算温度的对比分析可知，由瞬态计算结果获取油腔换热边界的方法更符合实际情况，也进一步验证了振荡冷却计算模型的准确性。

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[编辑： 姜晓博]

Numerical Simulation and Temperature Field Analysis of Piston Oscillating Cooling

WU Qianwen1， ZHANG Jingchen1, PANG Ming2, XIE Zhimin2, HU Dingyun2, HU Yuping1

(1. School of Energy and Power Engineering, Shandong University, Ji’nan 250061, China；2. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

The heat transfer model of oscillating cooling was established by CFD dynamic mesh method and the transient numerical simulation of piston oscillating cooling was conducted with the volume of fluid (VOF) model. The flow conditions of cooling oil in the cooling gallery with different piston locations were analyzed and the variation laws of filling ratio and wall heat transfer coefficient with crankshaft angle were acquired. In order to verify the cooling effect, the heat transfer boundary of inner cooling gallery wall was set up, the finite element simulation of piston temperature field was conducted, and the calculated results were compared with the test results. Accordingly, the simulation provided the reference for piston optimization.

piston; inner cooling gallery; oscillating heat transfer; temperature field

2015-02-01；

2015-04-25

山东省中青年科学家奖励基金(BS2013NJ012)

吴倩文(1990—)，女，硕士，主要研究方向为为内燃机传热；18764427361@163.com。

胡玉平(1970—)，男，副教授，主要研究方向为发动机现代分析技术研究；huyp@sdu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.011

TK424.24

B

1001-2222(2015)04-0054-06