柴油机缸盖水套流场的试验测试与数值研究*

王俊杰，黄 瑞，陈晓强，沈天浩，董桥桥，俞小莉

(浙江大学 能源工程学院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

发动机冷却水套结构及其流动组织是否合理直接影响各受热件的冷却效果。多缸柴油机缸盖结构复杂，只有准确了解水套流场才能合理地提出水套结构的优化方案。

柴油机冷却水套流场的研究通常有仿真和试验的方法。近年来，计算流体力学(CFD)成为研究柴油机缸盖水套流场的一种重要手段[1-4]。刘铁刚[5]针对498型柴油机缸体水套，借助CFD对缸垫水孔位置和尺寸进行了仿真优化；叶伊苏[6]通过CFD计算发现某六缸柴油机缸体水套存在冷却不足、均匀性差的缺陷，对水套结构进行优化，改善了流动性能，结果表明：CFD仿真研究可以用于发动机水套流场的模拟分析。

试验测试方面，由于柴油机缸盖结构的复杂性和封闭性，其水套流场难以精确测量。粒子图像测速技术(PIV)是近期发展起来的一种新的流动测量技术[7-10]。坡本实业有限公司HAGA K和Yasuhiro[11]借助PIV进行了汽车发动机排气歧管流动可视化研究；张振扬[12-18]借助PIV系统对缸盖水套内的流场进行了详细测量，得到了丰富的数据，结果表明：PIV技术在流场测试方面具有精度高、分辨率高、不对被测流场产生扰动且能获得平面流场全场信息等优点。

在对柴油机缸盖水套复杂结构的流场研究时，如何精确获得流场的流动信息是难点。单一使用CFD或者PIV研究水套流场都存在一定的局限性。对于柴油机水套结构复杂处，同时结合CFD和PIV技术对水套流场进行研究具有重要意义，这就需要对两种手段之间的偏差和原因进行研究。

本文将借助CFD仿真手段对柴油机缸盖水套流场进行仿真分析。

1 CFD计算模型及边界条件

1.1 计算模型

连续性方程：

(1)

式中:ρ—密度；t—时间；xi—x轴沿方向的分量；ui—速度沿i方向的分量。

动量守恒方程：

(2)

式中：ρ—静压力；τij—应力矢量；ρgi—i方向的重力分量；Fi—由于阻力和能源而引起的源项；xj—x轴沿j方向的分量；uj—速度沿方向的分量。

冷却液在水套中的流动为绝热不可压缩的湍流流动，采用基于雷诺时均法的数值计算方法，计算时采用标准k-ε湍流模型。

1.2 几何模型及网格划分

本文采用Pro-E建立几何模型，水套网格模型如图1所示。

图1 整机水套网格模型

笔者采用HyperMesh软件对水套部分进行面网格初步划分，总体水套网格数量为532 546。导入Star-CCM+后进行面网格remesh，并划分体网格。划分网格时要求对水套壁面等关键区域进行加密处理。

1.3 网格无关性分析

为了提高计算精度，本研究在计算前对计算模型做网格无关性分析[14]。

网格无关性分析针对整个柴油机水套模型，水套模型在X、Y、Z方向上的最大尺寸分别为49.1 cm、19.3 cm、45.3 cm。

本研究按照基本尺寸为16 mm、8 mm、4 mm、2 mm、1.5 mm、1.2 mm的网格对模型进行网格划分，对应的网格数量分别为723 509、1 167 054、1 327 225、2 178 763、3 558 099、5 404 494，进而通过数值仿真分析水套进出口压差随网格数量的变化情况。

网格无关性验证的结果如图2所示。

图2 网格无关性验证

由图2可以看到：在网格基本尺寸为2 mm后水套进出口压差基本稳定，所以在综合考虑计算时间成本和精度后，将网格的基本尺寸定为2 mm。

1.4 边界条件

对于冷却液侧，根据试验实测值设定水套进口流量边界；对于其他位置则采用经验数值。

边界条件施加数值如表1所示。

表1 整机水套CFD模型进出口条件

1.5 计算结果及分析

由于缸盖火力面受热负荷较大，缸盖底板水套是直接影响火力面热状态的关键区域，为了分析缸盖底板水套的流动情况，本研究读取了缸盖水套下层截面的流速分布云图，入口流量Q分别为4.0 m3/h、4.5 m3/h、5.0 m3/h、5.5 m3/h、6.0 m3/h。

计算结果如图3所示。

图3 流量变化下仿真流速分布云图

根据结果可以看出：随着入口流量的增大，关键区域的流速随之增大，第一缸的狭窄区域流速变化明显。

2 柴油机缸盖水套可视化试验

2.1 试验台组成

试验台架分为冷却系统台架和PIV系统。本次试验不考虑冷却回路小循环。

试验台组成如图4所示。

图4 柴油机冷却系统及PIV系统组成1-变频器；2-流量计；3-水泵；4-水箱；5-发动机；6-激光器；7-控制器；8-CCD相机；9-计算机

冷却系统台架包括水泵、变频器、缸盖、机体、流量计、水箱以及管道，其中用变频器控制水泵流量。

透明缸盖结构如图5所示。

图5 柴油机透明缸盖结构

缸盖材料为PMMA，该材料透明且透光率好，满足本试验测试的要求。PIV系统包括激光器、同步器、计算机、CCD相机。

2.2 PIV系统选型

本次试验采用二维PIV测试系统，主要由光源系统、图像采集系统和图像分析系统组成。试验使用Vlite-200激光器，采用平凹稳定腔技术，输出激光光束均匀。激光器输出波长为532 nm，输出能量为200 mJ，脉宽8 ns，发散角3 mrad。试验使用相机为4MP-LMS相机。在试验前，对示踪粒子和激光频率进行匹配试验。失踪粒子选择聚酰胺，粒径20。激光频率为15 Hz。激光器两次曝光脉冲下，CCD相机记录两组测试图片。对拍摄图像进行处理，采用自相关技术根据两次脉冲下粒子的位移即可以得到柴油机缸盖拍摄区域的流场分布情况[15]。

2.3 试验结果与分析

2.3.1 PIV测试结果

试验前将激光片光源固定在需要拍摄的平面位置，将相机固定在三脚架上，移动到需要拍摄的部位上方。试验时，本研究通过变频器改变水泵转速来调节流量，观察流量计示数确定流量，确定流量后关灯。准备完成后，开启激光器，打开相机镜头盖进行拍摄。拍摄区域同仿真区域一致。

本次试验选择与仿真计算相同的5个入口流量条件，从4 m3/h到6 m3/h，间隔为0.5 m3/h进行PIV试验拍摄。试验时由于流量控制产生的误差，实际流量分别为4.050 m3/h、4.504 m3/h、5.070 m3/h、5.517 m3/h、6.012 m3/h。

4.050 m3/h和6.012 m3/h两组流量下测得的流速大小分布如图6所示。

图6 流量变化下PIV测试速度云图

从图6中可以看出：随着流量的增加，流场流速增加，在流道结构狭窄处流速增加明显。

2.3.2 流场分布对比分析

在入口流量都为4.0 m3/h的情况下，取柴油机第一缸缸盖的水套区域，4.0 m3/h流量下仿真得到的流线分布如图7所示。

图7 4.0 m3/h流量下仿真得到的流线图

4.050 m3/h流量下测试得到的流速矢量分布如图8所示。

本研究将CFD仿真分析的结果同PIV测试的试验结果进行对比。分析仿真手段和试验测试结果之间的差异。

从图7和图8的对比可以看出：CFD仿真手段得到的流场计算结果和PIV测试得到的流场结果趋势基本一致，流场分布情况基本相同。

2.3.3 偏差分析

PIV拍摄区域如图9所示。

图9 A、B、C测试区域选取位置

为了更好地比较CFD仿真与PIV测试技术在流场分析中的一致性，笔者在PIV测试区域中选取A、B、C 3个测试区域(A、B、C3区域位置如图中标记)，分别提取仿真结果与测量结果，获得这些区域平均速度随入口流量的变化情况。

A、B、C区域平均速度随入口流量的变化情况如图10所示。

图10 A、B、C三区域平均速度随入口流量的变化情况

随着流量增大，各点流速均增大，仿真与试验数据在上述变化趋势上基本一致，但在不同区域，两者的偏差是不同的。A区域平均相对偏差为2.118%，B区域平均相对偏差为37.7%，C区域的平均相对偏差为18.74%。即B区域偏差较大，原因可能是B区域在水套出口，是两股流速较高的流体汇合的区域，流场比较复杂。随着流量升高，该区域的湍流度大大提升。

改变仿真的壁面粗糙度，发现计算结果发生变化，粗糙和光滑条件下仿真结果的偏差为0.3%。仿真模型与试验模型流道壁面粗糙度存在一定差异，在流道结构狭窄处，壁面粗糙度会对流动情况产生一定的影响。本次试验所采用的缸盖材料为PMMA，由于仿真粗糙度设置的限制，会使得仿真与试验之间有一定的偏差。

本研究提取第一缸A、B、C三区域在不同入口流量下的Re数，如表2所示。

表2 A、B、C三区域Re随入口流量的变化情况

从表2中可以看出：B区域Re数较高，在入口流量大于5 m3/h时，B区域Re数大于10 000，此时仿真与试验之间的偏差较大。

3 结束语

本文针对某四缸柴油机，借助CFD仿真手段和PIV测试技术对柴油机缸盖水套流场进行了对比分析。

结果表明：对于柴油机缸盖水套流场的研究，CFD仿真和PIV测试两种手段所得到的结果具有较好的一致性，流场的分布情况大致相同；根据不同入口流量下，两种研究手段所得到的柴油机水套流场分布图发现，随着入口流量的增加，CFD仿真和PIV试验所得流场的流速均增加且变化趋势一致；分析了CFD仿真和PIV试验之间的偏差。