高强化活塞内冷油腔振荡传热特性的场协同分析

朱海荣　彭培英　陈晓萌　吴亚辉　王建华

摘要：为研究高强化活塞内冷油腔振荡强化传热机理，应用场协同理论对活塞内冷油腔中机油的振荡流动与传热过程进行分析。采用CFD软件Fluent模拟椭圆形油腔和水滴形油腔内机油的速度场、温度场的分布，得到2种结构油腔的平均场协同数和协同角余弦值在不同工况下的变化规律。结果表明，场协同理论能够很好地解释活塞内冷油腔的振荡强化传热性能，水滴形油腔内、外壁面处的协同角要小于椭圆形油腔，平均场协同数和协同角余弦值都大于椭圆形油腔，说明水滴形油腔的协同程度更好，其强化传热效果也更佳。采用场协同理论可以满足活塞内冷油腔的结构优化设计，为提高活塞内冷油腔的强化传热能力提供了理论参考。

关键词：内燃机工程;高强化活塞;内冷油腔;振荡;强化传热;场协同

中图分类号：TK124文献标识码：Adoi：10.7535/hbkd.2022yx02001

Abstract：In order to study the oscillating heat transfer enhancement mechanism of the cooling oil gallery of highly-enhanced piston，the oscillatory flow and heat transfer process of engine-oil in the cooling oil gallery of piston were analyzed by the field synergy theory.CFD software FLUENT was used to simulate the velocity field and temperature field distribution of the fluid in the elliptic and the variations of mean field synergy number and cosine value of synergy angle in both two gallery structures under different conditions were obtained.The results reveal that the field synergy principle could well explain the oscillating heat transfer enhancement performance of cooling oil gallery in highly-intensified piston efficiently.The synergy angles at the inner and outer walls of the water droplet oil gallery are smaller than that of elliptic oil gallery，and the mean field synergy number and cosine value of synergy angles of water droplet oil gallery are larger than that of elliptic oil gallery，which indicates that the synergy degree of water droplet oil gallery and its effect of heat transfer enhancement are much better.Using the field synergy theory to guide the structure design of cooling oil gallery of piston will open up a new way to improve the heat transfer enhancement ability of cooling oil chamber gallery.

Keywords：internal combustion engine;highly-intensified piston;cooling oil gallery;oscillation;heat transfer enhancement;field synergy

隨着柴油机在国防科技及民用领域应用需求的不断增加，其强化程度不断提高。高强化柴油机能够提供更大的输出功率，其零部件的可靠性面临着更为严峻的考验。活塞作为柴油机中最重要的零部件之一，直接承受燃气压力、往复惯性力和高温气体的共同作用，极易出现高温蠕变、疲劳断裂和烧蚀等破坏问题，因此活塞损伤在柴油机故障中占了很大比重[1-2]。为保证柴油机安全可靠运行，必须对活塞进行有效的冷却。目前，高强化活塞多采用带有内冷油腔的振荡冷却方式，冷却机油不断地喷入活塞头部的内冷油腔中，机油与空气相混合随活塞一起进行往复振荡，与内冷油腔的高温壁面进行强烈对流换热，以对活塞进行有效冷却，从而提高活塞的使用可靠性[3-5]。

河北科技大学学报2022年第2期朱海荣，等：高强化活塞内冷油腔振荡传热特性的场协同分析采用数值模拟方法对高强化活塞内冷油腔的振荡传热过程进行研究，集中出现在2000年以后。2003年，KAJIWARA等[6]首次利用CFD软件分析了内冷油腔在不同机油填充率下的壁面换热系数，模型中做了很多简化假设。2005年，PAN等[7]建立了三维梯形冷却油腔的CFD模型，得到了换热系数与曲轴转角、填充比与曲轴转角的关系，研究了不同填充比时活塞温度场的情况。2007年，YI等[8]分析了油腔中机油的振荡流动传热，模拟了两相流的流动与传热过程，获得了充油率、壁面换热系数等随转速、流量的变化规律，但是缺乏相应的实验验证。2010年，张卫正等[9]利用数值模拟方法对活塞振荡冷却瞬态传热进行了研究分析，得到了不同转速、机油填充率在不同曲轴转角条件下壁面的换热系数变化。曹元福等[10-11]采用CFD动网格技术和多相流模型对封闭圆柱腔、开式冷却油腔中的冷却介质换热过程进行了数值计算，分析了活塞转速、行程改变时，换热系数及冷却油腔内机油通过率的变化规律，并分析了机油填充率在30%～60%范围内流体的振荡传热特性。2015年，吴倩文等[12-13]对活塞内冷油腔振荡冷却进行了数值模拟研究，分析了油腔机油填充率、壁面传热系数等随曲轴转角的变化规律，还研究了转速和喷油量对活塞温度场的影响规律。2017年，朱楠林等[14]采用数值模拟方法对活塞冷却油腔内流体的振荡冷却特性做了初步论证，得到结构参数、充油率等不同时冷却油腔壁面传热系数的变化规律。2018年，吴志明等[3]对活塞环形油腔周向振荡冷却特性进行了研究，得到了环形油腔周向壁面平均换热系数的变化规律，发现壁面平均换热系数在周向20°区域变化幅度最大，且在1个周期内油腔周向区域的平均换热系数整体呈“对数”减小的趋势。2020年，穆艳丽等[15]采用模拟仿真的研究方法，得出了一种较为通用的活塞内冷油腔仿真分析方法，并研究了油腔各壁面区域换热系数随曲轴转角的变化。张卫正等[16]采用数值分析方法对活塞冷却油腔内机油的流动与传热进行研究，分析了不同曲柄转角下柴油机转速及入口流量对机油流动特性和传热特性的影响，并拟合出了大功率船用柴油机外冷却油腔振荡传热的无量纲关联式。陈卓烈[17]通过数值模拟方法研究了振荡油腔在不同转速、喷油压力和加热条件下的流动换热特性，与搭建的试验台试验结果进行对比校验，验证仿真计算模型的准确性。李达[18]建立了高强化柴油机活塞三维模型，分别使用动网格法和动边界法对活塞内椭圆形内冷油腔振荡过程中的流动和换热特性进行数值分析，得到了在不同喷油速度和曲轴转速下的活塞温度场。63C49FE8-8837-41A6-9F96-3E0F71BC7209

为解释强化传热机理，过增元等[19]提出了场协同理论，表明对流传热效率不仅取决于速度场和温度场，也与速度场与温度梯度场内部整体协同作用有关，速度场与热流场的协同作用越好，对流传热效率越高。何雅玲等[20]则指出场协同原理可以统一解释现有的对流换热现象。

现有文献多关注活塞内冷油腔振荡传热过程中的流动现象和不同参数条件下的对流传热规律，而对油腔振荡强化传热的机理研究较少。本文将运用场协同理论对高强化活塞内冷油腔的振荡传热特性进行研究，对不同截面形状的油腔在不同工况下的传热特性进行场协同分析。

1场协同理论基础

过增元[21]以二维平板稳态边界层问题为例，对其能量守恒方程进行无量纲处理，得到了努塞尔数与速度矢量和温度梯度适量之间的关系：

2活塞内冷油腔模型

2.1模型的建立

如图1所示，内冷油腔设置在活塞头部，冷却机油从喷油嘴持续喷出，通过油腔进口进入油腔，和空气混合后随活塞的往复直线运动形成振荡运动。机油在油腔中的运动主要为沿着活塞轴线的轴向运动和从油腔进口到出口之间的周向运动。

文献[21]在保证油腔横截面面积相同的情况下，分别建立横截面形状为椭圆形和水滴形的内冷油腔计算模型，将内冷油腔内的流体域作为计算区域。内冷油腔的几何模型如图2所示。

将油腔模型的壁面划分为4部分，分别命名为上壁面、下壁面、内壁面和外壁面。对油腔模型进行网格划分，网格采用非结构化六面体网格。同时，需要对4个壁面的近壁面区域进行边界层处理，边界层网格为10层，网格划分沿着离开壁面的方向逐渐变稀。取各壁面换热系数的算数平均值作为平均换热系数，通过对比不用网格数量下模型的计算结果，分析网格数对壁面平均换热系数的影响。通过上述方法对2种形状油腔模型的网格无关性验证，最终确定椭圆形内冷油腔和水滴形内冷油腔的网格数量分别为60 432和64 537，网格模型划分结果如图3所示。

2.2控制方程和边界条件

采用Fluent软件进行模拟计算，湍流模型选用SST k-ω模型，压力速度耦合选用PISO算法，动量方程和能量方程均采用二阶迎风格式。壁面设为无滑移速度边界条件，并采用Fluent动网格技术模拟内冷油腔随活塞的往复运动。流场的控制方程如下：

3结果与讨论

3.1不同形状内冷油腔的传热性能分析

3.1.1速度场分布规律分析

图4为转速为2 000 r/min、冷却机油填充率为50%时，椭圆形油腔和水滴形油腔（纵向截面）的机油相分布以及速度矢量图。红色为机油相，蓝色代表空气相，箭头代表流体的流动方向。其中，图4 a）、c）、e）、g）为椭圆形油腔内的流体状况，图4 b）、d）、f）、h）为水滴形油腔内的流动状况。当曲轴转角为0°CA（曲轴转角）或180°CA时，油腔由中间位置向上或向下运动，此时油腔内的流体沿着竖直方向往复运动，在椭圆形油腔的内、外壁面附近，速度矢量的方向与壁面平行，在而在其上、下壁面附近，速度矢量的方向近似垂直于壁面;而对于水滴形油腔来说，其内、外壁面有一定的角度，与活塞的上下往复运动并不平行，所以内、外壁面附近的速度矢量方向与壁面之间存在一定的角度，在水滴形油腔的上、下壁面附近，速度矢量的方向与上、下壁面近似于垂直。当曲轴转角为90°CA或270°CA时，油腔运动到上止点或下止点的位置，机油冲击上、下壁面，运动受到阻碍，由于对上、下壁面的冲击，油腔内流体湍流加剧，形成漩涡。对比图4 c）、d）、g）和h）的速度矢量图可以发现，水滴形油腔内流体速度方向的改变程度要比椭圆形冷却油腔内的大，漩涡也相对较大。总的来说，受到油腔内、外壁面角度的影响，水滴形油腔内流体对内、外壁面的沖击较大，而且在运动到上、下止点位置时，水滴形油腔内流体的湍流程度要比椭圆形的大，产生的漩涡也比较大。漩涡的形成可以加速热量的传递，强化传热效果，使热量不断从热端传递到冷端。

3.1.2温度场分布规律

图5所示为某一曲轴转角时，椭圆形油腔和水滴形油腔纵向截面的温度场分布云图。可以发现：无论是哪种形状的油腔，油腔内部的温度梯度变化并不明显，而在壁面附近处，温度梯度的变化特别大。这与文献[22]的规律是一致的。壁面和流体之间的热量主要是通过边界层传递，对比发现水滴形的边界层厚度要小于椭圆形的边界层厚度。这是由于水滴形油腔的内、外壁面与活塞的往复运动方向存在一定的角度，可以加剧流体对壁面的冲击，改变边界层的厚度，因此水滴形油腔的强化传热效果优于椭圆形冷却油腔。由此可见，改变壁面与流体流动方向之间的角度，加强流体对壁面的冲击，可以有效强化壁面与流体间的换热效果。

3.2不同形状内冷油腔的场协同性能分析

图6为椭圆形油腔和水滴形油腔平均场协同数Fc随曲轴转角的变化规律。如图6所示，在活塞运动的1个周期内，椭圆形油腔和水滴形油腔的运动趋势基本一致。在活塞向上止点运动的过程中，Fc总体呈现上升的趋势，在上止点附近Fc最大;在活塞由上止点向下止点运动的过程中，Fc呈现先减小后增大的趋势，在下止点附近又达到一个峰值，这说明在上、下止点附近处，速度场与热流场的协同程度比较好。在下止点附近处的Fc小于上止点处的，则意味着上止点附近温度场与热流场的协同程度要优于下止点附近的。对比2种形状油腔的Fc发现，水滴形油腔速度场与热流场的协同程度更好。

图7为2种形状油腔壁面附近的场协同角余弦值均值随曲轴转角的变化曲线。通过图7可以观察到，椭圆形油腔壁面附近处的协同角余弦值均值基本分布在0.37左右，水滴形油腔壁面附近处的协同角余弦值均值基本分布0.517左右，水滴形冷却油腔内温度梯度和速度矢量的协同性优于椭圆形冷却油腔。这与文献[22]的研究结果是一致的。

图8为机油填充率为50%、转速1 000～2 500 r/min的条件下，2种形状油腔壁面附近协同角余弦值均值随转速的变化规律。可见，随着转速的增加，水滴形油腔和椭圆形油腔壁面附近的协同角余弦值均值都呈上升趋势。当转速从1 000 r/min增加到2 500 r/min时，水滴形油腔的协同角余弦值由0.514增加到0.518，增加了0.68%，椭圆形油腔的协同角余弦值由0.369增加到0.374，增幅为1.36%。在转速变化范围内，随着转速的提高，水滴形油腔的协同角余弦值数值较大，但增速较小;椭圆形油腔的协同角余弦值数值较小，但增幅较大。总体来说，在转速范围内，随着转速的提高，两种形状油腔的协同角余弦值均值都在增加，说明两种形状油腔的温度场和速度梯度场的协同性都在变好，有利于强化传热，而水滴形油腔的强化传热效果更好。转速对提高椭圆形油腔强化传热效果的作用更大。63C49FE8-8837-41A6-9F96-3E0F71BC7209

图9为机油填充率50%、转速2 000 r/min，活塞行程从80 mm增大到140 mm时，冷却油腔壁面附近区域协同角余弦值随行程的变化曲线。如图所示，随着行程的增加，水滴形油腔和椭圆形油腔的协同角余弦值都在不断增大，在行程由80 mm增加到140 mm时，椭圆形油腔壁面附近区域的协同角余弦值由0.371增加到0.374，增幅为0.85%;水滴椭圆形油腔壁面传热系数由0.515增加到0.520，增幅为0.97%。由此可见，在行程变化范围内，随着行程的增大，2种形状油腔的协同角余弦值均值都在增加，说明2种形状油腔的温度场和速度梯度场的协同性都变好，而水滴形油腔的强化传热效果始终优于椭圆形油腔，但行程对提高水滴形油腔强化传热效果的作用更大。

4结论

1）通过对2种不同形状内冷油腔的速度场和温度场分析对比可知，水滴形油腔内流体对油腔内、外侧壁面的冲击、流体的湍流程度以及油腔内部产生的漩涡都比椭圆形油腔大;水滴形油腔的边界层厚度小于椭圆形油腔，水滴形油腔的强化传热效果优于椭圆形油腔。

2）通过对2种不同形状内冷油腔的传热性能进行场协同分析可知，水滴形油腔的场协同数要大于椭圆形油腔，在不同转速、行程下的协同角余弦值也要大于椭圆形油腔，说明水滴形油腔的传热效果优于椭圆形油腔，这与之前文献的研究结论是一致的。

3）场协同理论能够很好地解释高强化活塞内冷油腔中冷却机油的传热性能，运用场协同理论指导高强化活塞内冷油腔的结构设计，将为提高活塞内冷油腔的散热性能提供一种行之有效的方法。

本文只针对2种常见形状的内冷油腔进行验证，证明以场协同理论解释其强化传热性能的合理性。在后续研究中，将对Fluent软件进行UDF二次开发，从场协同角度对活塞内冷油腔结构进行设计优化，并拟合得到内冷油腔设计公式，以为内冷油腔的结构设计提供具体的指导方案。

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