新聞主題	機油散熱器的作用、流場(chǎng)分析及阻力模擬試驗

 

摘要：針對某柴油機機油散熱器水道阻力較大，影響到柴油發(fā)電機工作性能的問(wèn)題，采用三維計算機流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件對機油散熱器進(jìn)行流場(chǎng)分析及阻力模擬。根據模擬結果，找到流體阻力大的原因，對模型進(jìn)行了優(yōu)化設計。對優(yōu)化后的模型進(jìn)行再次模擬，以確定最優(yōu)方案，并對優(yōu)化后樣品進(jìn)行阻力測試，以驗證仿真結果的準確性，為后續機油散熱器的設計提供數據支持。

 

一、機油散熱器分類(lèi)

 

       為了保持機油在適宜的溫度范圍內工作，柴油機潤滑油路一般都裝有機油散熱裝置，用來(lái)對機油進(jìn)行強制冷卻。機油散熱裝置可分為兩類(lèi)：以空氣為冷卻介質(zhì)的機油散熱器和以水為冷卻介質(zhì)的機油散熱器。

1．水冷式機油散熱器

      水冷式機油散熱器由外殼、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)銅管內從前蓋上流出。在后蓋的下部有一個(gè)放水開(kāi)關(guān)，專(zhuān)供放盡冷卻器中的冷卻水，冬季放水時(shí)也應將此開(kāi)關(guān)打開(kāi)放水。

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

2．風(fēng)冷式機油散熱器

      風(fēng)冷式機油散熱器安裝在冷卻系統散熱器的前面（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)電機工作時(shí)，從機油泵壓送來(lái)的機油經(jīng)機油濾清器進(jìn)入機油散熱器，被空氣冷卻后，經(jīng)出油管流入主油道去潤滑各運動(dòng)機件。

 

圖1 柴油機水冷式機油散熱器

圖2  風(fēng)冷式機油冷卻器結構圖

 

二、機油冷卻器研究

 

1、研究的目的

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

      這些對機油散熱器的CFD仿真研究和試驗研究都為本文提供了有益的參考。本文以某機油散熱器出現高水阻為研究對象，通過(guò)三維CFD數值模擬獲得其流阻特性，找到引起高水阻的原因。研究人員針對具體問(wèn)題設計改進(jìn)方案，再通過(guò)三維CFD數值模擬驗證改進(jìn)方案的可行性。后期，研究人員對該機油散熱器樣件進(jìn)行了臺架試驗，獲得其流阻特性的試驗數據，驗證了仿真結果的準確性。

2、幾何模型仿真

      研究人員將機油散熱器水道內腔三維模型導入ANSYS MESHING程序進(jìn)行網(wǎng)格劃分。仿真采用三角形網(wǎng)格類(lèi)型來(lái)初步劃分面網(wǎng)格，選擇網(wǎng)格尺寸為0.5mm。網(wǎng)格劃分的高級尺寸控制函數采用了基于臨近單元和曲率的方法，同時(shí)設置相關(guān)度為高度相關(guān)，并對網(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。

      仿真采用三維穩態(tài)流動(dòng)計算。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k-e模型，壁面函數選擇標準壁面函數。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、試驗與仿真分析

 

1、臺架試驗

      該試驗測試系統由進(jìn)水供給系統和進(jìn)油供給系統兩個(gè)部分組成。進(jìn)水供給系統通過(guò)電動(dòng)控制閥對進(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℃，穩定度控制為±1%，測量精度為±0.35%，最大水流進(jìn)口壓力為280kPa。進(jìn)油供給系統通過(guò)電動(dòng)控制閥對進(jìn)油流量進(jìn)行控制，進(jìn)油流量為40~250L/min，潤滑油進(jìn)口溫度為35~120℃，穩定度控制為±0.5℃，測量精度控制為±0.01℃，最大入口壓力為600kPa。

      為了驗證仿真方法的合理性和有效性，研究人員按照不同工況對機油散熱器樣件進(jìn)行了臺架試驗。研究人員采用高精度試驗臺測量進(jìn)水流量和阻力，為仿真模擬提供依據。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定

 

2、仿真結果驗證

      根據水側壓降的仿真計算結果與試驗結果對比曲線(xiàn)，隨著(zhù)水流量增加，阻力也逐漸增大。仿真結果整體數據相對測試結果偏小，這是由于研究人員對仿真模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。仿真結果與試驗變化趨勢總體一致，最大壓降誤差為9.07%，與試驗結果比較吻合，從而證明了仿真模型的有效性。

3、水路改進(jìn)前的仿真結果

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

      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，因為漩渦的原因，水流阻力增大了。在芯子出水口處有2股水流的沖擊區，從圖4可以看到?jīng)_擊的范圍及水流對沖后的流向。由于水流沖擊的影響，芯子出口處出現了明顯的滯留區。所以，在水道優(yōu)化設計時(shí)，研究人員需要考慮優(yōu)化整體流場(chǎng)結構，增加分隔板進(jìn)行導流來(lái)避免上述問(wèn)題。

4、水路改進(jìn)后仿真結果

      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流到了出口。進(jìn)口壓力為27.58kPa，水流阻力相對優(yōu)化前降低了50.21%。

5、水路改進(jìn)后的仿真結果與試驗結果比較

      根據水路改進(jìn)后水側壓降的仿真計算結果與試驗結果對比曲線(xiàn)。仿真結果與試驗結果非常吻合，最大壓降誤差為7.57%。隨著(zhù)水流量的增加，仿真結果與試驗變化趨勢一致，從而證明了仿真模型的有效性。

 

圖3  機油冷卻器漩渦區流場(chǎng)分布圖

圖4  機油冷卻器沖擊區流場(chǎng)分布圖

 

總結：

      研究人員采用三維CFD模擬仿真，進(jìn)行機油散熱器水道流場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布的計算。通過(guò)試驗驗證，將各工況下的仿真結果與實(shí)測結果進(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部水道流動(dòng)情況，可以直觀(guān)看到芯子水路與旁通水路對沖導致動(dòng)量損失影響了冷卻液流動(dòng)，壓降增大。根據仿真結果，研究人員對水路進(jìn)行改進(jìn)，在芯子水路與旁通水路間設置分隔板對介質(zhì)進(jìn)行引流。該優(yōu)化方案可以有效降低機油散熱器水阻，滿(mǎn)足柴油發(fā)電機組整機匹配的要求。

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