前言

隨著國家排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，市場對柴油機(jī)節(jié)能減排和可靠性的要求愈加嚴(yán)苛。柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的工作能力直接影響受熱零部件的熱負(fù)荷和相關(guān)摩擦副的潤滑條件，進(jìn)而關(guān)系發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗、污染物排放和可靠性。因此，冷卻系統(tǒng)的精細(xì)化設(shè)計(jì)和控制技術(shù)成為柴油機(jī)研究中的重要環(huán)節(jié)。

 

長期以來，數(shù)值仿真方法，尤其是三維 CFD 技術(shù)的發(fā)展，為柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有效的手段［1 － 8］，然而，由于冷卻系統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)不僅與設(shè)計(jì)有關(guān)，還受到制造工藝的顯著影響，這種工藝因素目前尚不能采用數(shù)值方法準(zhǔn)確計(jì)算。因此，工程上還是采用試驗(yàn)測量的方法檢驗(yàn)冷卻水道的流動(dòng)情況，以之檢驗(yàn)設(shè)計(jì)與制造綜合質(zhì)量水平。其中各上水孔的流量常被作為內(nèi)部流動(dòng)情況的重要表征，渦輪流量計(jì)則是常用的傳感器。上述測試過程中，渦輪流量計(jì)在安裝和固定等使用過程中須采用測量板，上水孔流量測量結(jié)果受到由渦輪流量計(jì)和測量板組成的測量模塊的流動(dòng)阻力的影響，準(zhǔn)確掌握這種影響，對于測量板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高流量測量精確度具有重要意義。鑒于目前相關(guān)研究較少，本文中采用試驗(yàn)測量與模擬計(jì)算相結(jié)合的方法深入研究渦輪流量計(jì)和測量板組成的測量模塊對柴油機(jī)缸體上水孔流量測量的影響，為測量板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高流量測量精確度提供理論依據(jù)。

1 柴油機(jī)上水孔流量測量試驗(yàn)

1. 1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖 1 所示，流量計(jì)安裝如圖 2 所示，測量板結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。試驗(yàn)裝置為閉式系統(tǒng)，試驗(yàn)介質(zhì)為清水，溫度為室溫�？偭髁渴褂酶呔�度電磁流量計(jì)進(jìn)行測量，布置在水泵進(jìn)口前。在柴油機(jī)進(jìn)出水口各布置 1 個(gè)水壓傳感器來測量壓差和 1 個(gè) PT100 熱電阻來測量溫度。變頻電機(jī)和水泵布置在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口前，渦輪流量計(jì)選用 LWGY－ 10，上下兩塊測量板固定和安裝 24 個(gè)渦輪流量計(jì)測量各上水孔流量，試驗(yàn)方法按某發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)規(guī)范進(jìn)行。試驗(yàn)儀器如表 1 所示，某六缸柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)如表 2 所示。

1. 2 試驗(yàn)結(jié)果

由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)較多，現(xiàn)只選 1 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對后面的仿真計(jì)算進(jìn)行校驗(yàn)，其中試驗(yàn)邊界條件為: 入口流 量 8. 37 kg / s、入 口 水 溫 311 K 和 出 水 壓 力11 837 Pa。各上水孔的編號(hào)如圖4所示，由于試驗(yàn)過程中第 2，5 和 11 上水孔的渦輪流量計(jì)損壞，故將這 3 個(gè)上水孔流量數(shù)據(jù)剔除。試驗(yàn)所測得數(shù)據(jù)如圖5 所示。

 

2 柴油機(jī)冷卻水流動(dòng) CFD 分析

為研究渦輪流量計(jì)和測量板組成的測量模塊對缸體上水孔流量測量的影響，采用 CFD 對引入測量模塊前后各上水孔流量的變化進(jìn)行對比分析。

 

2. 1 幾何模型的建立

本文中研究對象為某直列六缸柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)，由于整體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，完全按照其實(shí)體建立計(jì)算模型非常困難，在保證對數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果不產(chǎn)生很大影響的前提下，對實(shí)際的實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些簡化處理，如略去某些過渡圓角、倒角等次要細(xì)節(jié)，對一些關(guān)鍵位置( 如缸蓋水套“鼻梁”區(qū)) 不作任何簡化。利用三維 CAD 軟件建立六缸冷卻系統(tǒng)的幾何模型。

 

為研究測量模塊對柴油機(jī)缸體上水孔流量測量的影響，對渦輪流量計(jì)和測量板進(jìn)行三維建模。由于渦輪流量計(jì)的實(shí)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模難度很大，而流量計(jì)中葉輪對上水孔流量的影響體現(xiàn)在冷卻水通過葉輪時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的壓力損失，所以可將流量計(jì)簡化成圓柱筒，葉輪對冷卻水的影響可用一個(gè)加有流量-壓損曲線 的 inerior 面來代替，如圖 6 所示。對 LWGY － 10 渦輪流量計(jì)中葉輪的流量-壓損關(guān)系進(jìn)行了測量，結(jié)果見表 3。

 

將流量-壓損關(guān)系擬合為二次多項(xiàng)式，其表達(dá)式為

 

式中: Δp 為壓力損失，Pa; a 為壓力損失系數(shù); qv 為通過流量計(jì)的質(zhì)量流量，kg / s; ρ 為液體密度，kg /m3;d 為流量計(jì)內(nèi)徑，m。

對比式( 1) 和式( 2) 可見，兩者趨勢相符，均為二次函數(shù)。

 

2. 3 計(jì)算網(wǎng)格模型的建立

分別對所建帶與不帶測量模塊的柴油機(jī)冷卻水流動(dòng)模型劃分網(wǎng)格，根據(jù)文獻(xiàn)［9］并結(jié)合實(shí)際冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，計(jì)算網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為 2 mm，為改善模型的收斂性，對流體進(jìn)出口進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难娱L。兩種模型的網(wǎng)格分別如圖 7 和圖8 所 示。模型的總網(wǎng)格數(shù)量分別為 936 310 和1 018 135。

 

2. 4 計(jì)算模型的邊界條件和物性參數(shù)

本文中針對該六缸柴油機(jī)的額定工況進(jìn)行計(jì)算，入口采用質(zhì)量流量入口邊界條件，總 流 量 為6. 67 kg / s，入口水溫為 353 K，出口采用自由流出邊界條件，其余邊界默認(rèn)為壁面。通過 Starccm + 的壓降模型將式( 1) 編入算例測量段中建立的 inerior面，達(dá)到模擬真實(shí)渦輪流量計(jì)葉輪壓損的目的。較后得到原機(jī)和增加測量模塊后各缸總流量和各上水孔流量，并對比前后差異，分析出測量模塊對柴油機(jī)缸體上水孔流量測量的影響。

3 計(jì)算模型的試驗(yàn)校驗(yàn)

為了保證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，本文中使用柴油機(jī)上水孔流量測量試驗(yàn)臺(tái)測得的上水孔流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)( 見圖 5) ，對增加相應(yīng)測量模塊后的計(jì)算模擬結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，計(jì)算模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比見圖 9。由圖可見，計(jì)算模擬結(jié)果的較大相對誤差為 4. 92% ，表明計(jì)算模擬結(jié)果具有足夠的精度。

 

4. 1 對各缸流量測量的影響

將各缸上水孔流量相加便得到各缸流量，增加測量模塊前后各缸的流量值和相對誤差如圖 10 和圖 11 所示�？梢钥闯�，增加測量模塊后，上水孔流量的較大相對誤差小于 1% 。從圖7 可以看出，這是由于各缸進(jìn)水為并聯(lián)，相互影響比較小，即各缸流阻接近，加上測量模塊后等于在各缸上增加了同等大小的流阻，對各缸流量分配的測量結(jié)果不會(huì)造成大的偏差。