李雷，唐帥，曾超，劉倫倫

（內(nèi)燃機(jī)可靠性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室／濰柴動(dòng)力股份有限公司，濰坊261061）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車(chē)的心臟。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)有許多相互摩擦運(yùn)動(dòng)的零部件，這些零部件的運(yùn)動(dòng)速度快、工作環(huán)境差，工作溫度可達(dá)400～600℃。發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)就是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)連續(xù)不斷地把數(shù)量足夠、溫度適當(dāng)?shù)臐崈魸?rùn)滑油即機(jī)油輸送到全部運(yùn)動(dòng)件的摩擦表面，從而減小摩擦阻力、減輕零件磨損，以達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性和耐久性的目的。機(jī)油溫度是影響發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)工作可靠性的重要因素之一。機(jī)油溫度過(guò)高，機(jī)油黏度會(huì)顯著降低，機(jī)油穩(wěn)定性降低，氧化變質(zhì)加劇，從而造成發(fā)動(dòng)機(jī)各零件摩擦表面的油膜不易形成和保持，加速零件磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成燒瓦、拉缸等事故。因此，為了控制發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度，保證各摩擦表面得到有效而可靠的潤(rùn)滑，通常需要為發(fā)動(dòng)機(jī)配置機(jī)油冷卻器對(duì)機(jī)油進(jìn)行冷卻。

發(fā)動(dòng)機(jī)常用的機(jī)油冷卻器多為利用冷卻水來(lái)冷卻機(jī)油溫度的熱交換器。通過(guò)將帶有油路的機(jī)油冷卻器置于冷卻水路中，利用冷卻水在流動(dòng)過(guò)程中的強(qiáng)制對(duì)流換熱帶走高溫機(jī)油的熱量，達(dá)到降低機(jī)油溫度的目的。由于機(jī)油冷卻器中的循環(huán)水流量是影響機(jī)油冷卻器冷卻性能的一個(gè)重要因素，所以水流量匹配計(jì)算是機(jī)油冷卻器設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要一環(huán)。

Flowmaster是一款專(zhuān)業(yè)的一維工程流體管路系統(tǒng)的分析軟件。其通過(guò)將各管路、換熱元件、發(fā)動(dòng)機(jī)水套等部件的流阻特性和水泵的輸出特性搭建成網(wǎng)絡(luò)模型，經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算可以找到系統(tǒng)的匹配平衡點(diǎn)，可計(jì)算出流經(jīng)各元件的介質(zhì)流量及各節(jié)點(diǎn)的壓力分布，因而被廣泛地應(yīng)用在各種冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水輸送系統(tǒng)及熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和性能仿真中［1］。

外置機(jī)油冷卻器的流阻特性通常通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)試獲得；但是測(cè)試樣件制造周期較長(zhǎng)，嚴(yán)重制約著項(xiàng)目開(kāi)發(fā)進(jìn)度。隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD） 的快速發(fā)展，三維流動(dòng)模擬已經(jīng)成為冷卻系統(tǒng)研究的重要工具。通過(guò)三維CFD數(shù)值模擬可以得到以往需要大量試驗(yàn)才能得到的流動(dòng)信息，在設(shè)計(jì)初期就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能校驗(yàn)及優(yōu)化，還可以容易地從產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，降低對(duì)試驗(yàn)研究的依賴(lài)性，從而縮短研發(fā)周期， 降低成本［2］。

本文以某發(fā)動(dòng)機(jī)重新匹配的外置機(jī)油冷卻器為研究對(duì)象，通過(guò)三維CFD數(shù)值模擬獲得其流阻特性，并以此作為輸入?yún)?shù)進(jìn)行一維穩(wěn)態(tài)不可壓縮計(jì)算，獲得各元件在額定工況下的匹配流量。要求在滿(mǎn)足機(jī)油冷卻器目標(biāo)流量的情況下，對(duì)其他冷卻系統(tǒng)元件不造成較大影響。后期對(duì)該機(jī)油冷卻器樣件進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，獲得其流阻特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 機(jī)油冷卻器CFD分析

1.1 有限元模型建立

FLUENT軟件是由美國(guó)FLUENT公司于1983年推出的CFD軟件。由于采用了多重求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，F(xiàn)LUENT軟件能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。本文進(jìn)行CFD分析所采用的軟件即為FLUENT軟件。TGrid是獨(dú)立于FLUENT軟件的前處理器，用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格［3］。本文利用Hypermesh前處理軟件導(dǎo)入機(jī)油冷卻器的三維模型。本文中的機(jī)油冷卻器由換熱器和進(jìn)、出水管組成。提取內(nèi)部冷卻液流道表面，使用S3三角形網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成機(jī)油冷卻器內(nèi)部流道的邊界網(wǎng)格，如圖1所示。

將邊界網(wǎng)格文件導(dǎo)入到TGrid前處理器中進(jìn)行體網(wǎng)格設(shè)置。為了保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性和收斂性，根據(jù)機(jī)油冷卻器結(jié)構(gòu)，在TGrid設(shè)置中，設(shè)置了第1層厚度為0．8 mm，層厚度增長(zhǎng)率為1．2%，共3層的邊界層。由于機(jī)油冷卻器中的換熱器翅片間距較小，需要通過(guò)設(shè)置兩壁面邊界層的中間距離來(lái)保證邊界層網(wǎng)格在翅片間收縮，避免邊界層自相交。生成的實(shí)體網(wǎng)格局部視圖如圖2所示。

1.2 邊界條件定義

根據(jù)機(jī)油冷卻器廠(chǎng)家提供的參數(shù)，在額定工況下，該機(jī)油冷卻器所需要的冷卻液流量為150 L／min。工程中，一般將雷諾數(shù)作為判別流體流動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)則數(shù)。大量試驗(yàn)表明，當(dāng)管流的雷諾數(shù)大于下臨界雷諾數(shù)時(shí)，即Re＞2 320，即可判定流動(dòng)為湍流。對(duì)于圓截面管道，雷諾數(shù)為：

式中：u為流體平均速度，m／s；d為圓管內(nèi)直徑，m；ν為流體的運(yùn)動(dòng)黏度，m2／s。

通過(guò)模擬不同流量下機(jī)油冷卻器的進(jìn)出口壓差，來(lái)獲得機(jī)油冷卻器的流阻特性。本文最低流量設(shè)置為50 L／min。通過(guò)計(jì)算圓管處的雷諾數(shù)，確定了所仿真的工況均為湍流。標(biāo)準(zhǔn)的k?ε兩方程模型是目前使用最廣泛的湍流模型，適用范圍廣，經(jīng)濟(jì)性高，精度合理，適用本文所研究的工況。

邊界條件設(shè)置方面，入口采用速度入口，出口采用壓力出口的邊界條件［4］。入口速度為均勻流，方向垂直于入口截面。參考機(jī)油冷卻器目標(biāo)流量，分別計(jì)算5個(gè)流量下的入口流速。入口湍流參數(shù)為湍流強(qiáng)度I和水力直徑d，湍流強(qiáng)度計(jì)算如下：

水力直徑即為進(jìn)水口直徑，各流量下進(jìn)口參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 不同流量下機(jī)油冷卻器進(jìn)口參數(shù)

選用雙精度三維模型解算器讀取網(wǎng)格類(lèi)型文件．cas，數(shù)值求解采用目前工程上應(yīng)用最廣泛的SIMPLE算法；并通過(guò)監(jiān)視x、y、z三個(gè)方向的速度、連續(xù)性方程殘差、湍動(dòng)能k、湍動(dòng)耗散能ε的殘差來(lái)判斷數(shù)值計(jì)算是否收斂。當(dāng)上述參數(shù)都達(dá)到收斂準(zhǔn)則時(shí)，計(jì)算完成。計(jì)算所選用的流體為50%的冷卻液 （水和乙二醇的比例為1∶1），冷卻液參數(shù)按照在溫度90℃時(shí)的物理性能進(jìn)行設(shè)定。

1.3 三維計(jì)算結(jié)果

為研究機(jī)油冷卻器內(nèi)部冷卻液流動(dòng)狀態(tài)，制作機(jī)油冷卻器內(nèi)部冷卻液的流速流線(xiàn)圖，如圖3所示。

由流線(xiàn)圖可以看出，在機(jī)油冷卻器中的換熱器進(jìn)出水位置，由于流通截面積發(fā)生較大變化，故產(chǎn)生較大的流速梯度。

分別提取如圖2所示4個(gè)位置截面的平均壓力，計(jì)算出各流量下機(jī)油冷卻器的系統(tǒng)壓降Δp1（1～4之間，機(jī)油冷卻器中的換熱器加管路的總壓降）和機(jī)油冷卻器中的換熱器的進(jìn)出口壓降Δp2（2～3之間）。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同流量下機(jī)油冷卻器系統(tǒng)和進(jìn)出口壓差

依據(jù)表2繪制機(jī)油冷卻器的流阻特性，即進(jìn)出口壓降隨流量變化關(guān)系，如圖4所示。

2 冷卻系統(tǒng)一維計(jì)算

2.1 計(jì)算模型搭建

根據(jù)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置，新增外置機(jī)油冷卻器，通過(guò)2種機(jī)油冷卻器管路建模方式搭建計(jì)算模型。第1種方式，是將機(jī)油冷卻器及進(jìn)出水管路作為1個(gè)整體，用1個(gè)換熱元件代替，流阻特性按照?qǐng)D3中曲線(xiàn)Δp1進(jìn)行設(shè)定，如圖5所示。第2種方式，是將機(jī)油冷卻器中的換熱器部分單獨(dú)作為1個(gè)換熱元件，流阻特性按照?qǐng)D3中曲線(xiàn)Δp2進(jìn)行設(shè)定，進(jìn)出管路按照Flowmaster內(nèi)置的管路元件進(jìn)行設(shè)置，如圖6所示。

2.2 一維計(jì)算邊界及參數(shù)設(shè)定

本文主要分析增加外置機(jī)油冷卻器之后，在額定工況下，節(jié)溫器全開(kāi)時(shí)，流經(jīng)機(jī)油冷卻器的冷卻液流量是否滿(mǎn)足要求，所以選擇不可壓縮流體穩(wěn)態(tài)仿真進(jìn)行模擬。

水泵參數(shù)根據(jù)水泵供應(yīng)商提供的性能參數(shù)，通過(guò)在軟件中輸入其揚(yáng)程?流量曲線(xiàn)進(jìn)行設(shè)定。

機(jī)體和缸蓋水套的流阻特性通過(guò)下式計(jì)算的損失系數(shù)進(jìn)行設(shè)置：

式中：Δp為壓力損失，Pa；K為阻力因數(shù)；ρ為流體的密度， kg／m3；qv為體積流量， m3／s；A為截面積，m2。

節(jié)溫器采用的石蠟式節(jié)溫器。當(dāng)冷卻液達(dá)到一定溫度時(shí)，石蠟管內(nèi)的石蠟受熱融化膨脹，將閥門(mén)頂開(kāi)。由于本文是考慮節(jié)溫器全開(kāi)時(shí)的穩(wěn)態(tài)流量分配，只需根據(jù)供方提供全開(kāi)時(shí)的流阻特性曲線(xiàn)進(jìn)行設(shè)定即可。

根據(jù)2．1節(jié)所表述的方式分別設(shè)置機(jī)油冷卻器的流阻特性［5］。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算，第1種方式，機(jī)油冷卻器及進(jìn)出水管路作為一個(gè)整體，用1個(gè)換熱元件代替，流阻特性由CFD仿真分析獲得，一維計(jì)算得到機(jī)油冷卻器的流量為141．3 L／min，如圖7所示。

第2種方式，將機(jī)油冷卻器單獨(dú)作為一個(gè)換熱元件，其流阻特性由CFD仿真獲得，進(jìn)出管路按照Flowmaster內(nèi)置的管路元件進(jìn)行設(shè)置，一維計(jì)算得到機(jī)油冷卻器的流量為142．1 L／min，如圖8所示。

2種方式管路布置的流量分布如表3所示。由表3可見(jiàn)，2種建模方式所得到的機(jī)油冷卻器的流量基本相同，證明了通過(guò)CFD仿真獲得的管路阻力和用一維計(jì)算軟件Flowmaster中內(nèi)置管路模型阻力基本相同。同時(shí)，計(jì)算得到的額定工況下機(jī)油冷卻器的流量略小于目標(biāo)值150 L／min，評(píng)估認(rèn)為基本滿(mǎn)足機(jī)油冷卻器的使用要求，可以進(jìn)行下一步的樣件制作。

表3 兩種管路布置的流量分布 單位：L／min

3 結(jié)果驗(yàn)證

對(duì)機(jī)油冷卻器樣件進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試臺(tái)架和機(jī)油冷卻器進(jìn)出口壓力測(cè)點(diǎn)如圖9所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果獲取機(jī)油冷卻器在不同流量下的進(jìn)出口壓力。

由于測(cè)試臺(tái)架限制，無(wú)法測(cè)得低流量下的阻力數(shù)據(jù)。根據(jù)試驗(yàn)工況，重新補(bǔ)充計(jì)算了3組大流量的仿真結(jié)果。將流阻特性的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可以看出，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)趨勢(shì)相符，實(shí)測(cè)值相對(duì)仿真值略偏小。隨著流量的增大，偏差增大?？紤]到仿真模型和試驗(yàn)臺(tái)架工況略有差異，這樣的誤差范圍可以接受，驗(yàn)證了CFD仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)外置機(jī)油冷卻器進(jìn)行三維CFD仿真計(jì)算，獲取機(jī)油冷卻器的阻力特性，以此作為一維計(jì)算的參數(shù)輸入并進(jìn)行整機(jī)水流量匹配計(jì)算。對(duì)機(jī)油冷卻器樣件進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)比試驗(yàn)和仿真結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)Fluent進(jìn)行CFD阻力仿真，可以獲取部件的流阻特性，并作為一維流量匹配計(jì)算的參數(shù)輸入。

2）本文所計(jì)算的外置機(jī)油冷卻器，在整機(jī)匹配中，可以滿(mǎn)足其水流量需求。

3）通過(guò)一維與三維聯(lián)合仿真計(jì)算，可以提前獲取零部件的阻力特性，并進(jìn)行系統(tǒng)一維匹配計(jì)算，評(píng)估系統(tǒng)可靠性。通過(guò)仿真結(jié)果提出合理化建議，可大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。