內燃機活塞內冷油腔內兩相流的流動與換熱機理研究.pdf

1、隨著內燃機強化程度的不斷提高，活塞熱負荷問題凸顯。解決活塞熱負荷問題已成為內燃機強化提高的瓶頸問題。采用活塞強化冷卻技術是解決該問題最有效的手段之一。目前，內燃機活塞普遍采用內冷油腔結構，冷卻油與空氣形成的兩相流在油腔里不斷振蕩可以形成強化換熱的效果。因此，內冷油腔內兩相流流動和傳熱已成為近年來研究的熱點，但目前缺乏機理研究。
　　本文致力于活塞的傳熱系統(tǒng)研究，利用計算流體學基礎和活塞溫度場有限元分析系統(tǒng)，在大量試驗數據的基礎上創(chuàng)

2、新性的提出了油腔中兩相流循環(huán)特性的若干假設，并建立了噴嘴的噴油模型;通過開發(fā)專門的瞬態(tài)機油打靶可視化試驗平臺，將試驗結果結合有限元模擬、CFD模擬、動力學分析及推導計算等方法確定出兩相流體傳熱的初始條件和邊界條件，提出了油腔內兩相流振蕩流動特性的主要影響因素，建立了帶有修正項的對流換熱準則關聯式，揭示了內冷油腔內兩相流的流動與換熱的機理，從而為活塞冷卻系統(tǒng)的設計優(yōu)化提供了直接可靠的計算依據，并為發(fā)動機性能的提升奠定了理論基礎。
　

3、　論文的主要研究工作如下:
　　1.內冷油腔冷卻噴嘴射流特性研究
　　通過搭建噴嘴噴流試驗臺，對不同噴油壓力和噴油溫度時的冷卻噴嘴噴流進行了試驗研究，得出了內冷油腔進油口捕捉率與噴嘴出口到噴流截面距離之間的關系。研究發(fā)現:噴油壓力越大，噴油溫度越高，噴油油束的發(fā)散角越大，從而影響內冷油腔的回流量。另外根據試驗數據計算結果顯示，冷卻噴嘴噴流為層流射流。
　　在試驗研究的基礎上對噴嘴噴流進行仿真計算分析，探討噴嘴噴流壓力、

4、噴流速度和噴流距離、噴流半徑等之間的關系。模擬結果顯示:噴口附近核心區(qū)速度的最大值在偏移中心0.2-0.6mm的地方，且隨著壓力增加，核心區(qū)速度最大值的速度梯度增大;隨噴流截面和噴口距離的增加，截面軸心速度的作用越來越小，噴流徑向截面速度的衰減越來越平緩，且噴流截面速度隨噴流徑向截面位置的改變，其分布規(guī)律具有相似性;流體噴入空氣后，距離噴嘴0～28.6mm內，噴流速度隨距離增加而逐漸衰減，隨著射流的進一步發(fā)展，在距離噴口28.6mm附近

5、，機油與空氣進行的質量和能量劇烈交換，截面軸心速度衰減加劇，造成噴流速度急劇下降。另外，研究顯示噴嘴噴油量對內冷油腔環(huán)形腔內的靜態(tài)填充有很大的影響。
　　最后，建立了冷卻液由噴嘴噴出到油腔入口段的集束層流非淹沒射流模型，得到了流速、流量、噴油壓力、噴嘴半徑以及擴展角在各截面處的關系以及截面軸心速度與噴流距離等的變化規(guī)律。
　　2.內冷油腔內兩相流動態(tài)特性的試驗研究
　　為了揭示各因素對兩相流流型的影響程度及相應的流型轉

6、換機制，采用試驗手段對兩相流的流動形態(tài)進行了探討?？紤]活塞運動對流動形態(tài)的影響，對內冷油腔內兩相流流動形態(tài)的形成及轉變進行理論分析，提出了面積覆蓋率的概念，建立了兩相流流動形態(tài)的預測模型，并對內冷油腔內兩相流的傳熱強度進行判定。
　　開發(fā)了一種動態(tài)可視化打靶試驗臺，可以實時監(jiān)測內冷油腔內流體的流動形態(tài)。通過拍攝設備直接觀測內冷油腔內兩相流的流動形態(tài)，對比出不同轉速、噴流壓力、噴流溫度、靜態(tài)填充率、內冷油腔大小和截面形狀等條件下內冷

7、油腔內兩相流流動形態(tài)的變化。結果顯示:發(fā)動機轉速較低時，內冷油腔內兩相流以波狀流為主，隨著發(fā)動機轉速增加，“液塞”現象越明顯，發(fā)動機轉速越高，機油振蕩越劇烈，內冷油腔內兩相流流動形態(tài)越復雜;噴油溫度的不同直接導致了機油粘度的改變。隨著機油粘度增大，內冷油腔內流型轉變加速，使得內冷油腔內出現“液塞”現象所需的發(fā)動機轉速降低;內冷油腔的截面形狀對其運動形態(tài)影響較大，腰形內冷油腔內的兩相流分布比較規(guī)律，內冷油腔上行時，右側的機油比較早的撞向油

8、腔頂部，下行時，則是左側比較早的撞向底部，橢圓形內冷油腔內的機油，形成“液塞”趨勢的位置比較多，而水滴形內冷油腔下行時，大多數循環(huán)中都是靠近內冷油腔進出油口的機油先向下形成“液塞”，從而中間形成一個比較大的空氣區(qū)。相比之下，噴油壓力對油腔內的流動影響可忽略不計。
　　綜合來看，內冷油腔腔內兩相流流動形態(tài)的主要影響因素為填充率、油腔形狀和發(fā)動機轉速。
　　3.內冷油腔內兩相流動態(tài)特性的數值研究
　　通過CFD計算模型對內

9、冷油腔內兩相流的流動進行仿真計算，對比了不同發(fā)動機轉速、噴流壓力、噴流溫度、內冷油腔大小和截面形狀等條件下，內冷油腔內兩相流的面積覆蓋率及傳熱特性，仿真結果與試驗結果吻合良好。
　　結果表明:內冷油腔上下壁面的傳熱系數隨曲軸轉角的變化規(guī)律相反，內外壁面的傳熱規(guī)律則呈現一致性;噴油溫度不同，機油的黏溫特性不同，從而影響內冷油腔內的面積覆蓋率及其傳熱特性;轉速不同，機油在內冷油腔內的振蕩強度不同，從而改變內冷油腔內的湍流強度及其變傳熱

10、特性;油腔結構不同，直接影響機油填充率及其在往復運動時對油腔壁面的沖刷程度，從而影響換熱效果。
　　4.內冷油腔綜合傳熱模型的建立
　　從工程應用的角度出發(fā)，結合試驗研究和數值模擬結果，利用管內強制對流基礎關聯式，在努謝爾特、普朗特和雷諾準則的基礎上運用最小二乘法擬合出帶有修正項的準則關聯式，建立了瞬時對流傳熱系數的預測模型。
　　模型建立過程中發(fā)現:對于內燃機活塞內冷油腔，發(fā)動機額定轉速內隨著發(fā)動機轉速的提高，流體的

11、粘性底層厚度減小;不同缸徑任意發(fā)動機轉速時，粘性底層厚度都大于內冷油腔管壁的粗糙度;相同發(fā)動機轉速時，隨缸徑增加，粘性底層厚度減小;雷諾數和普朗特數乘積的自然對數值僅和發(fā)動機轉速有關，而且隨其增加而增大。
　　通過數值法對假設條件、忽略因素、非穩(wěn)定性等進行影響程度分析，并通過有限元分析結合硬度塞測溫試驗對關聯式計算得到的傳熱系數進行誤差分析，確保計算方法、結果的準確性和適用性。結果顯示，內冷油腔傳熱系數預測模型可以有效預測不同發(fā)動

12、機轉速、缸徑、機油溫度時活塞內冷油腔內流體的對流傳熱系數，可為活塞內冷油腔的設計提供理論基礎。結合試驗研究和數值模擬結果還可以得知，內冷油腔往復運動時，不同曲軸轉角時的傳熱系數可以在此關聯式的基礎上通過壁面的面積覆蓋率進行修正。
　　5.內冷油腔的換熱特性對活塞可靠性的影響
　　結合硬度塞測溫試驗，利用有限元分析軟件、疲勞分析軟件和動力學分析軟件，模擬內冷油腔對活塞熱負荷的影響，分析探討了油腔位置對活塞熱負荷的影響，內冷油腔

13、的設置對活塞二階運動的影響，以及鑲圈內冷一體新型活塞結構對活塞強度的影響。冷卻效果證明內冷油腔的使用可大大降低整個活塞的溫度，而且在結構強度允許的范圍內，內冷油腔在活塞頭部的位置越高，活塞頭部冷卻效果越好，熱負荷越低。研究還發(fā)現，內冷油腔的使用可降低活塞運行過程中的變形量，并減小活塞與缸套之間的作用力，從而明顯改善活塞的摩擦磨損、側向力及裙部壓力等。但是，活塞的二階運動平穩(wěn)性會有所降低，同時也會增大活塞的敲擊噪聲，因此還需要對活塞的裙部

14、型線進行相應的優(yōu)化。對新型內冷油腔結構的研究發(fā)現，鑲圈內冷一體的結構能更好的避免應力集中現象，既可以通過內冷油腔降低整個活塞的熱負荷，又可以通過使用鑲圈來提高環(huán)槽的耐磨性以及第一環(huán)槽和燃燒室的強度。
　　綜合以上研究可以發(fā)現，內冷油腔的傳熱效率影響了活塞的熱負荷，內冷油腔內兩相流的流動形態(tài)與其傳熱規(guī)律有密切聯系。發(fā)動機轉速、噴油壓力、噴油溫度、內冷油腔截面大小等影響因素直接或者間接的影響了兩相流的流動形態(tài)，兩相流的流動形態(tài)直接反映