防爆柴油机活塞的热载荷响应特性研究

胡雪芳，陈肖媛

(青岛黄海学院，山东 青岛 266427)

引言

目前，防爆柴油机在齿轮车、单轨吊、提升机等煤矿运载机械中的应用越来越广泛[1-2]，且表现出良好的安全性和可靠性，因此在特定的领域内(轨道机车等)逐渐取代了蓄电池[3]。根据《煤矿井下防爆柴油机通用技术》的相关规定可知：防爆柴油机必须具有强制冷却功能[4]，以确保柴油机的任一部位表面温度在任何负载条件下均不得超过150 ℃。由此可见，防爆柴油机对传热性能的要求非常严格。活塞作为关键的热载荷承载元件，长期承受着连续升温和降温的热疲劳载荷[5]，易产生热蚀、热裂纹等缺陷，加速磨损。根据防爆柴油机的工作要求，优选活塞的冷却方法为腔内水冷。相比于柴油机活塞的油冷方式，水冷的吸热能力更强，而且可通过储油槽反检查密封活塞的任何泄漏。但是，由于水的比热容较大，在强制换热过程中，容易导致局部温度梯度过大，加重热疲劳。因此，对活塞换热性能和热载荷响应特性的研究是非常必要的。目前，在国内外内燃机水冷研究方面，具有代表性的有：黄云龙等[6]对双缸四冲程水冷发动机进行了数值模拟，表明水冷方式满足功率要求；姬慧勇等[7]设计出一种水冷式内燃机快速降温机构，可在内燃机停止运转时通过外力驱动冷却系统继续工作；FABIO等[8]研究了发动机活塞的水冷喷射性能，得出影响散热效果的喷射参数。

1 活塞传热特性分析

1.1 CFD模型建立

在热载荷处理方面，防爆柴油机活塞增设环道式冷却腔，通过水的循环实现降温。随着柴油机曲轴的周期性转动，活塞内冷却腔将以强制对流换热的形式进行散热。为此，选用Dittus-Boelter方程式作为腔内热量传递的计算依据。该方程基于雷诺数和普朗特数来表达平均换热系数，可用于选择合理的湍流模型，其无量纲形式可表示为:

Nuf=0.023Re0.8Pr0.4

(1)

式中，Nuf—— 努塞尔数

Re—— 雷诺数

Pr—— 普朗特数

防爆柴油机活塞内的冷却水为典型的气液两相流状态[7-11]，根据初步计算可知，在循环过程中的雷诺数大于10000，普朗特数在[0.7, 120]范围内，且腔内入口长度与当量直径的比值大于60。因此，在流体动力学分析时，为避免物理损失和体积缺陷，优先采用VOF 模型和 Level Set模型相结合的方法处理两相流运算，通过有限元分析软件Fluent内的求解器实现。由于冷却环道较为复杂，不利于确保网格质量和计算效率，因此略去对流体流动影响较小的倒角结构，建立活塞的剖切结构和腔内的流体模型及其半模型，如图1所示。在柴油机曲轴运动过程中，腔内冷却流体的运动状态呈现出周期性变化，因此只需建立流体1/4模型即可，通过ICEM划分网格，如图2所示，活塞顶位置处的换热面分别定义为A面和B面。

图1 活塞及腔内流场分析模型

图2 流体1/4模型网格划分

1.2 两相流分析

两相流的状态可有效地反应出活塞瞬时的换热状态，因此分析液相比例的变化特性是非常有必要的。由于温度较高，因此在两相流计算时，不考虑空气在水中的溶解度，气相与液相的体积分数均为独立的变量参数，且两者之间的求和始终为1。湍流模型的合理性是决定CFD模型计算精度的关键[12]。针对防爆柴油机活塞内冷却水的工作参数，优先选用SSTk-ω湍流模型。该模型以边界层内黏性底层的运动方程为核心，可有效地保证湍流模型的鲁棒性，同时降低入口段结构参数对湍动参数影响的敏感性，相比k-ε湍流模型更适用于振荡性流体的计算。

液相比例决定了局部换热效果，而活塞的速度和加速度对液相比例有着关键的影响。为确保冷却流体入口状态的真实性，根据曲轴周期运动参数，基于UDF方法设定入口段流体速度保持正弦特性。在速度幅值为1 m/s条件下进行两相流分析，可得出不同曲轴角位移条件下的液相比例如图3所示。随着柴油机曲轴角位移的增大，冷却腔内液相的比例表现出显著的差异性和周期性；在活塞周期运动的初始阶段内(曲轴角位移小于60°)，腔内不同位置的冷却水比例均较高，随着活塞运动趋势的改变，冷却腔末端的气相比例逐渐增大；当曲轴转角达到150°时，柴油机伸缩套管将大大降低液相速率，使得气相比例显著增大；当活塞运动至中期阶段时，随着活塞运动速率增大，腔内冷却水受惯性影响显著，使得冷却腔末端的气相比例减小，入口段的气相比例增大；在活塞运动末期，液相比例分布与活塞周期运动初始阶段表现出一致性。

图3 活塞冷却环路中液相比例

1.3 传热分析

活塞顶的热载荷是发生热损伤[13]的主要因素，因此环道顶面的换热效率最为关键。为确保计算结果的可靠性，分别基于近壁模型与壁面函数法计算顶面A与顶面B的局部对流换热系数c。相比壁面函数法，近壁模型法对网格的要求更高，因此消耗的计算成本也更大。这两种方法的参考温度[14]计算原理不同，壁面函数以边界层内第一层网格节点的温度值作为参考值，而近壁模型法则采用整个平面的平均温度作为参考值。通过迭代计算，可得出不同顶面的对流换热系数随曲轴转角α位移的变化规律，如图4所示。不同求解方法对换热分析结果的影响非常小，表明构建的CFD模型具有较高的可靠性，同时从侧面证明冷却腔顶面处的气液混合状态较为稳定；相比顶面A，顶面B的换热效率更高，随着活塞行程的增大，两平面的对流换热系数均表现出显著的波动性；当曲轴转角达到300°时，顶面A和顶面B的对流换热系数同时达到峰值，其中顶面B的强制对流换热系数超过了7000 W/(m2·K)；总的来看，顶面B的换热效果受活塞行程的影响更为显著。

图4 不同顶面的对流换热系数

1.4 冷却腔结构对传热的影响

冷却腔入口与出口的直径比ΔL对于冷却水的流速和液相比例R均有重要的影响，因此，分别在不同的进出口直径比条件下得出液相比例和内腔表面的平均对流换热系数如图5所示。

图5 不同进出口直径比条件下的液相比例与平均对流换热系数变化规律

图5中可以看出，随着入口直径的增大，整体的液相比例增大，当进出口直径比大于1时，平均对流换热系数c1急剧减小。出口直径的减小可显著降低冷却水的输出流量，使得较高温度的水无法及时排除，表现出液相比例增大，但总体的换热效率降低。根据液相比例R和平均对流换热系数c1的变化规律可知，应优选进出口直径比为1的结构，此时，液相比例大于50%，而且液相振荡效果[15]显著，可获得良好的换热效果。

冷却水入口到环形循环腔有一段缓冲距离(简称进水口长度)，对液相的体积和振荡流动有着重要的影响。通过数值模拟，可得出不同进水口长度L条件下的液相比例与平均对流换热系数变化规律，如图6所示。

图6 不同进水口长度条件下的液相比例与平均对流换热系数变化规律

图6中可以看出，随着进水口长度的增大，液相比例持续线性增大，但平均换热系数表现出先减小后增大的趋势。较大的进水口长度虽然不会对入口段的流速产生显著影响，但是会明显增大液相的体积。因此，可得出结论，在满足最佳换热的要求下，进水口长度存在最优值。根据活塞结构可知，允许的进水口长度范围为8～12 mm，因此优选进水口长度8 mm。

2 热载荷响应分析

2.1 热机耦合模型建立

防爆柴油机在工作时，活塞的温度场对应力场有重要的影响，两者相互作用，为典型的耦合关系[16]，只有采用温度-位移直接耦合[17-18]的方法才能求解出准确的热载荷响应结果。因此，基于ANSYS中的温度-应力耦合模块，分析活塞在预紧力作用下的受载特性。活塞主要外部载荷变化规律如图7所示，为研究极限条件下的活塞热载荷响应，需对模型施加最大的外部载荷。

图7 载荷施加变化规律

在载荷与边界条件设置方面，定义如下：

(1)定义面接触特性，螺栓表面与螺纹孔采用绑定连接方式，预施加20%的预紧力，试运算模型的收敛性，若不收敛，调整网格尺寸和载荷步长；

(2)根据实际工况设定100%的预紧力，导入活塞内腔的温度场分布；

(3)根据活塞运动规律施加惯性力和气体力(腔内压力)。

2.2 热应力与热变形分析

在热机耦合条件下，可得出活塞的应力分析结果如图8所示。活塞表面最大的应力值为241 MPa，施加预紧力的螺栓表面应力峰值为393.87 MPa，均满足材料的许用强度；活塞顶部的应力分布较为均衡，未出现明显的应力集中现象，表明活塞顶部的散热效果良好；在防爆柴油机活塞的短裙设计条件下，群部的应力值相对较小，整体稳定性较高；螺栓受剪应力作用明显，但由于热载荷属于典型的低频作用力，因此对螺栓的疲劳特性不会产生明显的影响；活塞顶部平面的应力分布具有显著的规律性，其应力值沿着径向方向表现出先增大后减小，再增大的变化趋势，这是因为活塞顶部温度较高，热膨胀后对活塞中心产生一定的压应力作用，而靠近冷却腔的表面具有较大的温度梯度，使得温度不均衡。

图8 应力分析结果

活塞的热变形分析结果如图9所示。活塞的最大热变形为0.71 mm，位于活塞群部外缘下侧，该位置不但受热载荷影响显著，而且受缸内压力作用明显；从径向方向来看，热膨胀量随着半径的增大表现出递增变化。

图9 变形分析结果

2.3 对活塞群线的影响

为研究载荷在活塞群部型线的影响，将活塞群部外沿不同节点的热变形导出，得出活塞群线变化规律，如图10所示，其中，冷态型线为活塞的初始型线，热态型线为热载荷响应后的型线。

图10 活塞群线变化规律

图10中可以看出，在热载荷作用下，活塞群线整体的径向膨胀较为均衡，未出现突变性的变形，表明冷却腔的结构设计合理，满足活塞工作要求。热载荷和机械载荷的耦合效应并非简单的叠加，从半径收缩位置看，热载荷主要影响活塞顶部的薄壁变形，自身的机械力对其影响非常小。因此，对于更大功率的防爆柴油机，应进一步改进活塞顶部的散热性能。

3 结论

在矿产开采、隧道开发等领域，防爆柴油机的安全性和稳定性是保证高质量、高效率生产的基本前提。基于CFD和热机耦合方法，对防爆柴油机活塞的热载荷响应进行了数值模拟与研究，并得出以下结论：

(1)随着防爆柴油机曲轴转角的增大，腔内冷却水的体积变化表现出明显差异性和周期性；在两相流模型中，近壁模型与壁面函数法条件下换热分析结果非常接近，表明冷却腔顶面处的气液混合状态较为稳定；

(2)考虑到冷却腔内液相的振荡冷却效果，优选进出口直径比为1和进水口长度为8 mm的腔内结构；活塞在热载荷作用下未出现明显的应力集中问题，活塞顶部在热膨胀影响下，应力表现出先增大后减小，再增大的变化趋势，靠近冷却腔的表面温度梯度较大，温度值相对不均衡；根据活塞群线整体的径向变形规律可知，活塞顶部的变形主要受热载荷影响。