涡轮增压器轴承体耦合传热的数值仿真

龚金科　田应华　贾国海　章滔

摘 要：基于涡轮增压器轴承体冷却机理，采用专业CFD软件和FEM软件分别建立了轴承体流体区域和固体区域网格仿真模型.运用流固耦合的仿真计算方法对涡轮增压器轴承体进行耦合传热分析，得到轴承体流体区域的流场、换热系数及温度场，并分析轴承体固体区域的温度场.仿真结果表明：机油和水同时冷却方式下，轴承体温度分布较均匀，其冷却性能较好.与实验对比，仿真模型的温度符合实际轴承体温度分布，证明了此方法的可行性，为轴承体冷却性能的设计优化提供依据.

关键词：涡轮增压器；温度场；冷却轴承体；流固耦合

摘 要：基于涡轮增压器轴承体冷却机理，采用专业CFD软件和FEM软件分别建立了轴承体流体区域和固体区域网格仿真模型.运用流固耦合的仿真计算方法对涡轮增压器轴承体进行耦合传热分析，得到轴承体流体区域的流场、换热系数及温度场，并分析轴承体固体区域的温度场.仿真结果表明：机油和水同时冷却方式下，轴承体温度分布较均匀，其冷却性能较好.与实验对比，仿真模型的温度符合实际轴承体温度分布，证明了此方法的可行性，为轴承体冷却性能的设计优化提供依据.

关键词：涡轮增压器；温度场；冷却轴承体；流固耦合

涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上，在高温、高压和高速运转的恶劣环境下工作 ＼[1＼]，其各部件的温度分布不均匀，对于轴承体，存在较大温差，承受着很大的热应力.轴承体作为增压器结构中的重要组成部分，起到支撑密封环和浮动轴承的作用，而密封环和浮动轴承又是涡轮增压器可靠性中的薄弱环节，轴承体的热负荷程度直接影响到密封环和轴承的使用寿命和工作可靠性＼[2-5＼].

国内外为了降低涡轮增压器全浮动轴承和密封环附近温度，目前普遍采取用机油、水同时冷却的方式，并对其腔体进行优化设计＼[6-7＼].但对于两种液体同时冷却的方式缺乏系统的传热分析和流场的研究.本文基于轴承体冷却机理，利用专业CFD软件和FEM软件对某发动机涡轮增压器轴承体进行耦合传热数值仿真研究，即同时采用机油和水对轴承体进行冷却.通过计算得到轴承体流体区域的流场、换热系数和温度场分布，以及其固体区域的温度场，并将仿真计算值与实验值进行对比验证.

1 涡轮增压器轴承体传热原理

采用有限单元法对流体的流动与传热进行数值仿真，首先需要建立反映工程本质的数学模型.涡轮增压器轴承体传热的数学模型包括冷却水和机油的流动与传热模型、轴承体固体导热模型和冷却介质与轴承体交界面的耦合传热模型.

在冷却水和机油的流动与传热计算中，其流动和传热过程都遵从质量守恒、动量守恒和能量守恒定律.

对于涡轮增压器轴承体内腔冷却液与轴承体之间的换热问题，只在内部壁面边界上存在热量交换，由于流体温度与固体壁面温度之间是相互制约的关系，边界条件无法预先确定.其边界上的温度、换热系数，都应看成是计算结果的一部分，而不是已知条件＼[9＼].

由边界面的热平衡可知，在轴承体内部导向边界的热流密度等于从边界面传给周围流体的热流密度，即在涡轮增压器轴承体流固耦合传热边界上，固体传出的热量等于冷却液吸收的热量，由傅里叶定律和牛顿冷却公式可得＼[8＼]：

-λ（Tn）w=h（Tw-Tf）.（3）

式中：λ为导热系数，W/（m·K）；h为换热系数，W/（m2·K）；Tw为壁面温度，K；Tf为流体温度，K.

本文所使用的FEM软件提供了流固耦合传热交界面模型，即流体域和固体域几何位置重合的面，如图1所示.在进行流固耦合传热仿真计算时，固体域和流体域之间可通过此交界面进行数据传递.当CFD软件仿真计算出流体区域的壁面温度和换热系数，将数据映射到图1所示的耦合传热交界面上，成为FEM软件计算的第3类热边界条件.经过FEM软件仿真计算后，得到轴承体固体区域的温度场，再通过耦合传热交接面将固体区域内部壁面温度映射到流体区域，成为流体CFD软件计算的边界条件.如此反复计算，直到轴承体节点上的温度不再变化为止.其过程如图2所示.

2 涡轮增压器轴承体仿真模型

2.1 涡轮增压器轴承体网格仿真模型

涡轮增压器轴承体在实际工作中，存在着机油、冷却水、涡轮轴、涡轮箱、压气机之间的传热情况，在进行数值仿真计算前，为了简化分析影响轴承体冷却性能的主要因素，对轴承体外表面倒角和细小结构进行简化，可避免计算出错并使计算收敛更快.

在三维建模软件中按照轴承体实际尺寸建立几何模型，导出x_t格式文件，利用网格软件分别抽取轴承体冷却油腔和冷却水腔，并将其导入CFD软件进行网格划分，如图3和图4所示.对于固体区域，为保证内部细小尺寸结构不失真，设置了最小网格尺寸，同时为了控制轴承体网格的数量，也设置了网格的最大尺寸，其网格如图5所示.

2.2 物理模型材料

准确的材料物性参数是仿真分析获得准确结果的重要前提.在该FEM软件中，对于固体域通常需要提供固体材料的热传导率、比热容、密度等参数.涡轮增压器轴承体的材料选用灰铸铁（HT）250，密度为7 280 kg/m3，比热容为510 J/（kg·K），泊松比为0.156，热传导率为45 W/（m·K），线膨胀系数为9×10-6 K，杨氏模量为138 000.

对于流体区域的冷却液则需要定义其密度、比热容、动力粘度及导热系数等.当冷却液压力一定时，其物性参数只与温度有关，即温度的单值函数.

2.3 边界条件

在本文研究的流固耦合计算模型中，固体壁面的边界条件主要是指轴承体涡轮端和压气机端传热边界条件，不考虑辐射的影响.控制涡轮增压器转速为80 000 r/min，涡轮进气温度800 ℃，在该工况下通过传热边界测试获取轴承体涡轮端、压气机端的初始温度.在计算过程中，认为冷却液的流动是三维不可压缩的粘性湍流流动，湍流模型采用kε湍流模型.机油的入口采用压力边界条件，压力入口为0.3 MPa，温度为100 ℃，冷却水进口采用流速边界条件，流速为1.5 m/s，温度为80 ℃，机油和冷却水的出口都采用压力边界条件，分别为0.15 MPa和0.2 MPa.轴承体表面采用无滑移壁面边界条件.由于轴承体通过其外壁面散热，设环境温度为25 ℃，热传递系数为50 W/（m2·K）.

3 仿真计算结果

通过仿真计算得到增压器轴承体流体区域的流场、换热系数和温度场分布以及固体区域的温度场.

3.1 流场分析

图6给出了冷却油腔内机油速度流线图，机油入口末端管径变小，机油速率迅速增加，并分为三股流分别流向油腔顶部、中部和底部，使得机油充满整个腔体.腔体内速度流线分布均匀，机油流动顺畅，有利于机油对轴承体的冷却.

3.2 流体域壁面换热系数

如图8所示，机油腔体壁面换热系数从涡轮端至压气端，先减小，后增大，形成明显的换热系数梯度.最大换热系数分布在细小油道靠近涡轮端侧，当涡轮轴高速旋转时，机油与轴承体进行剧烈换热，较高的换热系数主要分布在机油腔体进口管道、细小油道以及腔体底部和顶部，大约在800～2 000 W/（m2·K）之间.在机油出口端，换热系数有所下降，大概在400～800 W/（m2·K）之间.这是由于换热系数与温差、机油流速等有关.当机油经过轴承冷却后，其温度上升，与轴承体的温差减小，且腔体的出口管道截面积比进口大，机油流速下降，故此区域换热系数变小.图中所示深蓝色区域，换热系数最小，主要由于机油流速在此区域较小，与轴承体换热较差.

3.3 流体区域壁面温度场分析

图9为机油腔体壁面温度场分布云图，温度从腔体顶部至底部依次降低，由于机油腔体上部分靠近涡轮端，热量来自发动机气缸中排出的废气，通过涡轮箱而传递到轴承体的顶部，热量从轴承体的涡轮端至压气端依次传递，为了充分冷却轴承体，热量传递至机油腔体时，流过腔体的机油带走一部分热量，越靠近涡轮端，带走的热量越多，相反，靠近压气端带走的热量较少，故油腔呈现明显的温度梯度.从图9中可知，机油腔体壁面温度最高为536.69 ℃，最低温度分布在靠近压气端一侧，为101.45 ℃.

图10为水冷腔体壁面温度场分布云图，其温度分布与机油腔体壁面相似，温度从涡轮端至压气端都是依次递减.最高温度为553.57 ℃，最低温度为158.53 ℃.对比图9可知，水冷腔壁面最高温度略高于油腔壁面最高温度.

3.4 轴承体温度场分析

如图11所示，轴承体整体温度从涡轮端至压气端依次递减，最高温度分布在与涡轮废气直接接触的区域，约为550～600 ℃.经过水和机油的冷却，轴承体靠近压气端一侧温度下降至95.17 ℃.图12为轴承体切片温度云图，其内部温度从高至低过渡自然，温度梯度变化缓慢.在正常工况下，发动机尾气的热量通过涡轮箱传递给轴承体，一部分被冷却介质带走，另一部分传导至压气机，与此同时，涡轮轴高速旋转所产生的一部分热量通过机油传递至轴承体.水和机油同时冷却方式下，轴承体冷却效果最佳，不易产生局部高温和热应力，轴承体工作较稳定，保证了涡轮增压器的可靠性与耐久性.

4 实验验证

对涡轮增压器轴承体的温度分布进行数值模拟时，仿真结果的精确程度与传热边界条件的确定直接相关.为测得准确的实际轴承体局部温度值，需在涡轮增压器轴承体的不同位置布置测温点[9].

热电偶是温度测量仪表中一种常用的测温原件，通过将热能转换成电能，再使用电气仪表读取被测介质的温度.其使用寿命长、装配简单，具有测量范围大、测量精度高等优点，能够在高温环境中工作.在涡轮增压器轴承体的传热试验中，采用WRTK112工业铠装热电偶分别对轴承体外表面和内腔进行温度测量并验证模拟仿真的准确性，其测点位置如图13所示.

本实验为了模拟发动机排气，利用经过燃烧室加热的气体驱动涡轮增压器转动，控制增压器转速为80 000 r/min，涡轮进气温度为800 ℃，待增压器稳定运行后，测取验证条件.如图14所示，仿真计算结果和实测结果基本吻合，其最大误差仅为4.6%，图15为涡轮增压器轴承体温度测量实验装置.上述结果表明仿真模型的温度分布符合实际轴承体温度分布，采用计算流体力学软件和有限元软件相结合进行流固耦合仿真的方法对涡轮增压器轴承体传热和冷却性能的研究是可行的.

5 结 论

本文采用流固耦合的方法对某发动机涡轮增压器轴承体进行耦合传热分析，结果如下：

1）机油的流场表明：机油在腔体内流动顺畅，总体速度分布较均匀.

2）机油腔体壁面换热系数从涡轮端至压气端，换热系数先减小，后增大，形成明显的换热系数梯度，其入口端换热系数大于出口端.

3）流体区域壁面温度从腔体顶部至底部依次降低，但水冷腔体壁面最高温度略高于机油腔体壁面的最高温度.

4）轴承体固体温度从涡轮端至压气端依次递减，温度梯度变化缓慢，其内部温度分布较均匀，不易产生局部高温和热应力.

5）通过计算结果与实验结果的比较，模型仿真的整体温度场分布基本符合实际轴承体的温度分布，证明了此仿真方法的可行性.

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