新聞主題	機(jī)油散熱器的作用、流場(chǎng)分析及阻力模擬試驗(yàn)

 

摘要：針對(duì)某柴油機(jī)機(jī)油散熱器水道阻力較大，影響到柴油發(fā)電機(jī)工作性能的問(wèn)題，采用三維計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件對(duì)機(jī)油散熱器進(jìn)行流場(chǎng)分析及阻力模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，找到流體阻力大的原因，對(duì)模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行再次模擬，以確定最優(yōu)方案，并對(duì)優(yōu)化后樣品進(jìn)行阻力測(cè)試，以驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為后續(xù)機(jī)油散熱器的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

 

一、機(jī)油散熱器分類

 

       為了保持機(jī)油在適宜的溫度范圍內(nèi)工作，柴油機(jī)潤(rùn)滑油路一般都裝有機(jī)油散熱裝置，用來(lái)對(duì)機(jī)油進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。機(jī)油散熱裝置可分為兩類：以空氣為冷卻介質(zhì)的機(jī)油散熱器和以水為冷卻介質(zhì)的機(jī)油散熱器。

1．水冷式機(jī)油散熱器

      水冷式機(jī)油散熱器由外殼、前蓋、后蓋和冷卻器芯子組成，如圖1所示。冷卻器芯子上有許多銅管和散熱片，以增大散熱面積。

      機(jī)油從外殼上的進(jìn)油口進(jìn)入，在銅管外面流動(dòng)，從出油口流出。冷卻水則由后蓋上流入，經(jīng)銅管內(nèi)從前蓋上流出。在后蓋的下部有一個(gè)放水開(kāi)關(guān)，專供放盡冷卻器中的冷卻水，冬季放水時(shí)也應(yīng)將此開(kāi)關(guān)打開(kāi)放水。

      水冷式機(jī)油散熱器的工作原理是：當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)起動(dòng)后，冷卻水的溫度上升較快，而這時(shí)機(jī)油的溫度較低，因此，在機(jī)油冷卻水的加熱下，油溫迅速升高，黏度下降，以適應(yīng)工作需要。柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)入正常工作后，當(dāng)機(jī)油溫度高于冷卻水溫度時(shí)，機(jī)油散熱器便恢復(fù)其作用，用水來(lái)冷卻機(jī)油，使機(jī)油溫度保持在正常范圍內(nèi)。

2．風(fēng)冷式機(jī)油散熱器

      風(fēng)冷式機(jī)油散熱器安裝在冷卻系統(tǒng)散熱器的前面（或后面），它利用風(fēng)扇煽動(dòng)的空氣來(lái)冷卻。其構(gòu)造如圖2所示。它由扁銅管、散熱片、框架、進(jìn)油管和出油管組成。柴油發(fā)電機(jī)工作時(shí)，從機(jī)油泵壓送來(lái)的機(jī)油經(jīng)機(jī)油濾清器進(jìn)入機(jī)油散熱器，被空氣冷卻后，經(jīng)出油管流入主油道去潤(rùn)滑各運(yùn)動(dòng)機(jī)件。

 

圖1 柴油機(jī)水冷式機(jī)油散熱器

圖2  風(fēng)冷式機(jī)油冷卻器結(jié)構(gòu)圖

 

二、機(jī)油冷卻器研究

 

1、研究的目的

      潤(rùn)滑油路是決定柴油機(jī)使用壽命的關(guān)鍵因素之一。潤(rùn)滑油路除了潤(rùn)滑功能外，還可以確保柴油發(fā)電機(jī)部件的冷卻和防蝕。機(jī)油散熱器是保證潤(rùn)滑油路正常工作的關(guān)鍵因素，機(jī)油散熱器通常由柴油發(fā)電機(jī)冷卻液在其中進(jìn)行冷卻。冷卻器必須合理設(shè)計(jì)，以便在最高冷卻液溫度時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)高的潤(rùn)滑溫度。同時(shí)，機(jī)油散熱器需要降低其介質(zhì)流動(dòng)的阻力，以便降低其對(duì)柴油發(fā)電機(jī)功率的損耗。

      這些對(duì)機(jī)油散熱器的CFD仿真研究和試驗(yàn)研究都為本文提供了有益的參考。本文以某機(jī)油散熱器出現(xiàn)高水阻為研究對(duì)象，通過(guò)三維CFD數(shù)值模擬獲得其流阻特性，找到引起高水阻的原因。研究人員針對(duì)具體問(wèn)題設(shè)計(jì)改進(jìn)方案，再通過(guò)三維CFD數(shù)值模擬驗(yàn)證改進(jìn)方案的可行性。后期，研究人員對(duì)該機(jī)油散熱器樣件進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，獲得其流阻特性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2、幾何模型仿真

      研究人員將機(jī)油散熱器水道內(nèi)腔三維模型導(dǎo)入ANSYS MESHING程序進(jìn)行網(wǎng)格劃分。仿真采用三角形網(wǎng)格類型來(lái)初步劃分面網(wǎng)格，選擇網(wǎng)格尺寸為0.5mm。網(wǎng)格劃分的高級(jí)尺寸控制函數(shù)采用了基于臨近單元和曲率的方法，同時(shí)設(shè)置相關(guān)度為高度相關(guān)，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行高度光順和緩慢過(guò)度，以保證網(wǎng)格質(zhì)量。模型網(wǎng)格共有19218935個(gè)單元。

      仿真采用三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)計(jì)算。介質(zhì)流動(dòng)為不可壓縮定常流動(dòng)。湍流模型選擇可實(shí)現(xiàn)k-e模型，壁面函數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。入口流速為2.425m/s，出口邊界條件采用壓力出口。入口速度為均勻流，方向垂直于入口截面。

 

三、試驗(yàn)與仿真分析

 

1、臺(tái)架試驗(yàn)

      該試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)由進(jìn)水供給系統(tǒng)和進(jìn)油供給系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。進(jìn)水供給系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)控制閥對(duì)進(jìn)水流量進(jìn)行控制，進(jìn)水流量為50~500L/min，水流進(jìn)口溫度為35~105℃，穩(wěn)定度控制為±1%，測(cè)量精度為±0.35%，最大水流進(jìn)口壓力為280kPa。進(jìn)油供給系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)控制閥對(duì)進(jìn)油流量進(jìn)行控制，進(jìn)油流量為40~250L/min，潤(rùn)滑油進(jìn)口溫度為35~120℃，穩(wěn)定度控制為±0.5℃，測(cè)量精度控制為±0.01℃，最大入口壓力為600kPa。

      為了驗(yàn)證仿真方法的合理性和有效性，研究人員按照不同工況對(duì)機(jī)油散熱器樣件進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)。研究人員采用高精度試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量進(jìn)水流量和阻力，為仿真模擬提供依據(jù)。研究人員按照進(jìn)水流量范圍60~140L/min和流速范圍1.039~2.425m/s共設(shè)置了5種工況，如表1所示。

表1    不同進(jìn)水流量和入口流速的工況設(shè)定

 

2、仿真結(jié)果驗(yàn)證

      根據(jù)水側(cè)壓降的仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線，隨著水流量增加，阻力也逐漸增大。仿真結(jié)果整體數(shù)據(jù)相對(duì)測(cè)試結(jié)果偏小，這是由于研究人員對(duì)仿真模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。仿真結(jié)果與試驗(yàn)變化趨勢(shì)總體一致，最大壓降誤差為9.07%，與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，從而證明了仿真模型的有效性。

3、水路改進(jìn)前的仿真結(jié)果

       水道右側(cè)為水流進(jìn)口，進(jìn)水口的壓力為41.43kPa。水道左側(cè)低壓處為出水口。從圖8可見(jiàn)，從水流進(jìn)口到水流出口處，壓力呈現(xiàn)出明顯的三級(jí)階梯遞減，而且高壓區(qū)集中在水道左側(cè)。

      從水道整體流場(chǎng)分布圖可見(jiàn)，水流進(jìn)入水道后即分為2條支路流動(dòng)，芯子處的水流量為46.5L/min，旁通處的水流量為93.5L/min。在水流出口處有明顯的漩渦。從圖3可以看出漩渦的速度梯度，因?yàn)殇鰷u的原因，水流阻力增大了。在芯子出水口處有2股水流的沖擊區(qū)，從圖4可以看到?jīng)_擊的范圍及水流對(duì)沖后的流向。由于水流沖擊的影響，芯子出口處出現(xiàn)了明顯的滯留區(qū)。所以，在水道優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，研究人員需要考慮優(yōu)化整體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，增加分隔板進(jìn)行導(dǎo)流來(lái)避免上述問(wèn)題。

4、水路改進(jìn)后仿真結(jié)果

      水道優(yōu)化后過(guò)芯子的水流量為58.5L/min，旁通水流量為81.2L/min。在經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，芯子獲得了更多水流量，水流量增加了37.5%，更利于增加散熱量。水從芯子出口出來(lái)后直接引流到水道出口，避免了兩股水流對(duì)沖。局部還存在有漩渦，但較優(yōu)化前已有明顯改善，而且大部分冷卻水直接導(dǎo)流到了出口。進(jìn)口壓力為27.58kPa，水流阻力相對(duì)優(yōu)化前降低了50.21%。

5、水路改進(jìn)后的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

      根據(jù)水路改進(jìn)后水側(cè)壓降的仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合，最大壓降誤差為7.57%。隨著水流量的增加，仿真結(jié)果與試驗(yàn)變化趨勢(shì)一致，從而證明了仿真模型的有效性。

 

圖3  機(jī)油冷卻器漩渦區(qū)流場(chǎng)分布圖

圖4  機(jī)油冷卻器沖擊區(qū)流場(chǎng)分布圖

 

總結(jié)：

      研究人員采用三維CFD模擬仿真，進(jìn)行機(jī)油散熱器水道流場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布的計(jì)算。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，將各工況下的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，兩者吻合良好。研究人員利用仿真軟件模擬冷卻器內(nèi)部水道流動(dòng)情況，可以直觀看到芯子水路與旁通水路對(duì)沖導(dǎo)致動(dòng)量損失影響了冷卻液流動(dòng)，壓降增大。根據(jù)仿真結(jié)果，研究人員對(duì)水路進(jìn)行改進(jìn)，在芯子水路與旁通水路間設(shè)置分隔板對(duì)介質(zhì)進(jìn)行引流。該優(yōu)化方案可以有效降低機(jī)油散熱器水阻，滿足柴油發(fā)電機(jī)組整機(jī)匹配的要求。

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