空心气门腔体结构对振荡传热影响的数值分析

张一兵，陈亮君，董 兵

(1.武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070;2.济南沃德汽车零部件有限公司，山东 济南 250300)

发动机气门经常处于高温作用下的恶劣工况中，排气门最高温度达到600～900 ℃[1]。因此，提高气门传热效率、降低气门温度对提高气门的使用寿命具有重要的意义。

空心气门结构如图1所示，具有重量轻、传热性能好的特点，目前已在车辆发动机中得到广泛应用，同时也吸引了有关科研人员对空心气门进行系列研究。文献[2]提出了利用金属部件添加层的方法制造气门，该方法能够在保证气门性能的情况下减轻气门的重量，提升汽车的性能。文献[3]根据实际工况，分别研究了空心气门在正常工作情况下和偏心工作情况下的应力分布。文献[4]对充钠的空心气门、空心气门和实心气门进行了对比研究，结果表明充钠的空心气门传热性能最好。文献[5]利用基于VOF(volume of fluid)方法的数值仿真，研究了空心充钠气门的加速度和液态钠填充率等因素对气门传热效率的影响，指出液态钠的填充率是影响传热效率的主要因素之一。在发动机中，空心气门腔体内的液态钠以湍流的形式运动，并以振荡传热[6]的方式传热。空心充钠气门的最高温度比相同条件下工作的实心气门最高温度低100℃左右[7]。

图1 空心气门结构图

为了研究空心充钠气门腔体头部锥角对腔体内部液态钠的振荡特性的影响，建立了三维空心充钠气门腔体结构多相流模型，利用FLUENT软件模拟了空心气门内液态钠的振荡传热过程和流动性，并通过实验进一步验证了头部锥角对流动性的影响。

1 数值模型与求解条件

1.1 数值模型

建立的空心充钠气门腔体数值分析3D物理模型及其网格划分如图2(a)所示，腔体头部锥角α如图2(b)所示，其取值范围为0～30°(每隔5°取一个值)。图2(b)中黑色部分表示填充的液态钠(体积比为50%)，其余部分为空气。图2(c)为数值仿真过程中相关计算参数监测点的位置。

图2 空心充钠气门腔体模型及网格划分

在每个单元中，如果多相流中各流体之间不相融，则各相的体积分数之和为1。VOF模型是通过求解各流体相的体积分数来跟踪相界面的[8]，而液态钠与空气是互不相融的，选择VOF模型进行分析。空心气门的腔体结构参数与钠填充率如表1所示。

表1 空心气门腔体结构参数与钠填充率

1.2 求解条件

当气门沿轴线方向作往复直线运动时，液态钠便在气门腔体中作振荡运动。取驱动气门运动的凸轮转速为1 600 r/min，凸轮升程为6.6 mm，可根据凸轮型线将转速转化为气门往复直线运动的线速度，并在气门头部大端面施加正弦函数温度载荷，峰值为1 073 K[9]，周期为凸轮旋转一周所用时间的两倍。通过FLUENT软件用户自定义函数UDF编程将线速度和模拟温度载荷施加到空心气门腔体模型上。雷诺数按式(1)计算：

(1)

式中：ρ为液态钠密度，值为852 kg/m3；液态钠的粘度η= 7. 64×10-4kg/( m·s)；v为平均流速；D为腔体圆柱直径。此时，按平均流速计算的液体雷诺数约为4 890，大于湍流临界值，液态钠的运动处于湍流状态。

分析采用SSTk-ω模型，该模型兼具k-ω模型和k-ε模型各自在壁面附近和远离壁面场计算的优势，故具有更广的适用范围。由于PISO(pressure-implicit with splitting of operators)算法计算速度较快，故选择该算法进行求解。

2 数值模拟结果与讨论

2.1 液态钠体积分数云图分析

液态金属的传热方式主要是热传导[10]，可见液态钠在腔体内的振荡运动状态会直接影响气门的传热效果。利用所建立的模型，通过FLUENT分析软件计算完成后，由后处理可以得到头部锥角α=0°时，某段连续时间内的气门腔体中液态钠的体积分数云图，如图3(a)～图3(g)所示。

图3 某段时间液态钠体积分数云图

在图3中，方框标记了所跟踪液态钠在不同时刻的流动位置。可以看出腔体中的液态钠在向上运动的过程中会脱离下部的液体，携带热量运动到气门尾部，然后再向下运动，与下面头部流体聚合。在此过程中，脱离出去的液态钠会将自身携带的热量传递给腔体壁面和尾部端面，从而达到降低气门头部温度的效果。

通过比较计算得到的不同头部锥角所对应的液态钠体积分数云图可知，当头部锥角α在20°以内变化时，气门腔体内部的液态钠形成较强的上下振荡。腔体内部液态钠的振荡在α=25°时减弱，在α=30°时，很少能够到达气门尾部，图4为α=30°时的液态钠体积分数云图。

图4 α=30°时的液态钠体积分数云图

图4(a)显示部分液态钠流到腔体中间部位，此时腔体内液态钠流动状态较好。图4(b)显示液态钠主要集中在腔体锥部，只有少数液态钠离开锥部进入锥面以上的圆柱空腔内。通过液态钠相运动的监测动画看到，当头部锥角α=30°时，腔体内液态钠出现图4(a)所示状态的几率较低，很少能到达气门腔体尾部，而大部分时间内处于图3(b)所示的运动状态。由于液态钠属于粘性液体，主要贴着壁面运动，头部锥角较大时，靠近拐角处的液态钠沿锥面流动离开拐角处时距离拐角较近，大部分时间里，没有后续液态钠推动其向圆柱腔体内运动，在重力作用下，流动方向会向下锥部偏转，无法继续向圆柱腔体内运动，最终被限制在锥形腔体内振荡。而锥形腔体靠近大端面部分的液态钠距离腔体轴线的径向距离相对较大，需要移动较大的径向位移才能运动到圆柱腔体内，当腔体头部锥角大到一定程度时，该部分液态钠可能还来不及运动到圆柱腔体内，就会在锥面的反向阻力和自身重力的作用下被限制在圆柱腔体内，产生图4中显示的现象。

2.2 头部锥角对气门振荡传热的影响分析

从前面液态钠体积分数云图3和图4可以看出，不同的头部锥角对应液态钠的振荡运动区别较大，下面通过计算不同头部锥角腔体结构内液态钠的温度来进一步分析头部锥角对腔体内液态钠振荡传热的影响。图5为利用图2所示模型计算得到的头部锥角α=30°时，点2处基本处于平稳状态时的一段温度曲线图。

图5 α=30°时点2处的温度曲线图

(2)

根据式(2)计算得到不同头部锥角腔体结构对应轴向位置点2和9处的高温平均值及低温平均值曲线如图6所示。

图6 点2和9处不同头部锥角对应高温平均值及低温平均值

3 流动性实验验证

为了进一步验证空心气门腔体的头部锥角对内部流体振荡流动性的影响，设计制作了图7所示的实验装置来验证数值仿真得到的腔体头部锥角α在25°以上时，腔体内液态钠的振荡效果减弱的结果。分别对头部锥角α为20°、25°、30°时的结构进行实验。

图7 实验设备示意图

为便于空心气门腔体结构模型的制作与观察，根据相似理论[11]取腔体结构尺寸为仿真模型的2.5倍，调整电机转速使腔体结构实验模型的最大线速度与仿真时所用最大线速度(2.5 m/s)相同。由于室温下水的粘度约为1×10-3kg /( m·s)，密度为1×103kg/m3，与仿真条件下液态钠粘度和密度相接近，因此，在实验时采用水作为流动介质进行流动性实验，腔体为封闭腔体，腔体中水的体积为整个腔体体积的50%。由实验可以观察到，当腔体头部锥角α=20°和α=25°时，腔体模型中锥形腔体内的流体在往复振荡的作用下上升到圆柱腔体部分，而α=30°时，则只有很少的流体上升到圆柱腔体部分。图8为实验停止后，腔体实验模型中头部锥角分别为α=20°、α=25°和α=30°时封闭腔体内流体停留的位置图。从图8(c)中可以观察到头部锥角α=30°时，只有少量的流体停留在圆柱腔体中。

图8 实验中流体上升的位置

在头部锥角为α=20°和α=25°时的往复振荡的实验中，可以观察到，在腔体实验模型停止运动前，柱状腔体内有大量气泡向上运动，说明腔体模型内的流体处于湍流状态。通过观察比较腔体实验模型锥形腔体内流体振荡上升到圆柱腔体中所经历的时间，得出在3个实验模型中，头部锥角α为20°时经历的时间最短，而α=30°时，腔体实验模型内的流体主要集中在圆锥内部，这与数值仿真中液态钠的振荡运动结果一致。

4 结论

通过对空心气门腔体模型的数值仿真以及实验结果分析，可以得出如下结论：

(1)对于所研究的空心充钠气门，当腔体头部锥角在20°以内时，腔体内部的液态钠可保持良好的振荡传热特性。

(2)腔体头部锥角在15°左右存在一个最佳振荡传热效果角度。

(3)腔体头部锥角在20°到25°之间存在一个临界值，超过这个值后空心气门内液态钠的振荡传热效果减弱。