柴油机气缸套空化现象与空蚀机理分析

韩峰,刘泉*,李宇寒,李晨阳,林杰威

(1. 内燃机可靠性国家重点实验室,山东 潍坊261061; 2. 潍柴动力股份有限公司,山东 潍坊261061; 3. 天津大学先进内燃动力全国重点实验室,天津 300350)

空蚀是由于液体发生空化,使得金属固体材料与流体接触区域受到腐蚀出现蜂窝状空洞或蠕虫形孔洞的损伤现象,普遍发生在气缸套、喷嘴[1]、水翼、水泵[2]等水力机械设备中.柴油机的缸套空蚀影响其可靠性和寿命[3].活塞横向撞击引起的高频振动致使缸套内的冷却液由于压力变化发生空化现象,生成空化气泡.在空泡溃灭时会对壁面产生微射流,具有破坏作用,引起疲劳损伤,造成柴油机缸套的空蚀.

许多学者对柴油机缸套的空蚀问题进行了研究.夏冬生等[4]建立了部分冷却水套三维模型,基于Fluent软件对水腔中冷却液进行了空化流动的数值模拟,分析了缸套壁面压力与振动速度和加速度之间的关系,同时研究了缸套壁面振动频率和振幅对冷却液流场的影响.杜慧勇等[5]基于AVL-Fire软件对施加壁面振动的缸套进行了仿真分析,研究了入口流速对冷却水套内部空化流动的影响,发现入口流速较大时引起的空化区域更大.XU等[6]、ZHANG等[7]考虑传热、碰撞以及液体冲击引起的气泡大小变化,修正了气泡直径模型,并建立了一维燃烧与三维流动耦合模型,研究了柴油机瞬态热力特性,探究了提高冷却系统工作效率的方法.ZHANG等[8]模拟了单缸水套的空化流动,结果表明具有较高蒸汽体积分数的区域与实际缸套空蚀损伤位置吻合,验证了模拟方法的准确性.除了在宏观尺度上对缸套冷却系统的空化流动进行研究,还有诸多学者探究了空化、空蚀发生的位置以及空泡溃灭的过程,从介观尺度上揭示空蚀机理.XU等[9]研究了温度、应变率等因素对气泡溃灭的影响规律,结果表明,应变率增大,溃灭时间缩短;气泡产生的射流压力随温度的升高呈下降趋势.LI等[10]对空气气泡与空化气泡聚合的动态过程进行了试验研究,发现空气气泡和空化气泡的相对距离和半径大小对聚合气泡的溃灭有显著影响.SARKAR等[11]探究了单个空泡溃灭对铝合金、镍铝合金和不锈钢等不同材料的固体壁面造成的塑性变形损伤.ZHAO等[12]提出了一种耦合浸没边界法和流体体积法的数值方法研究平板的弹性模量对气泡溃灭的动力学影响.JIN等[13]研究了凹槽边界附近空泡的溃灭过程,结果表明,由于空泡与槽接触时被吸附在壁面上,因此溃灭过程受到了显著影响.

综上,对柴油机缸套的空化流动及空泡溃灭过程的研究已经很多,但结合两者探究缸套空蚀机理的研究较少.文中在对整机冷却液流场模拟和单缸冷却液空化数值模拟的基础上,结合缸套壁面多空泡溃灭的仿真研究,分析在多空泡条件下,空泡间距和空泡数量对溃灭特性的影响,从宏观和介观尺度研究柴油机空化现象和空蚀机理.

1 单缸水套空化流动研究

在对整机冷却液水套进行稳态数值模拟的基础上,获得了单缸水套的边界条件,对单缸水套的边界振动加载,进行空化流动的瞬态模拟.

1.1 单缸水套计算模型

根据先前研究[14],柴油机整机水套冷却液流动数值模拟结果显示,各缸水套内的压力分布与流速分布合理且基本一致.因此,气缸的选择不会对仿真结果产生显著影响.文中研究以第5缸为例,缸体水套几何模型中水腔最小宽度为2.5 mm,综合考虑计算精度与计算规模,采用尺寸为1 mm的四面体非结构网格,网格总数为83万,建立的单缸水套几何与网格模型如图1所示.

图1 单缸柴油机冷却水套几何与网格模型

分别采用Mixture多相流模型、RNGk-ε湍流模型和Singhal空化模型进行冷却液的两相流模拟.对柴油机单缸水套两相流空化进行瞬态模拟,提取整机水套模拟结果中第五缸各个进出口处的冷却液压力pa与流速v,如表1所示.其中冷却液的物性参数、计算的边界条件和振动边界条件设置与之前研究[14]一致.本次仿真工作中,柴油机的实际工作转速为1 900 r/min,将时间步长设置为0.25 ℃A对应的绝对时间,约为2.193×10-5s,对一个完整工作循环720 ℃A内该单缸冷却水套的流场进行数值模拟.

表1 单缸冷却水套进出口参数

1.2 单缸水套结果分析

图2为曲轴转角分别为8°,16°,24°和32°时缸套壁面的气相体积分数α云图.

图2 不同曲轴转角时缸套壁面的气相体积分数云图

观察到在缸套壁面有部分冷却液由液态转化成了气态,可知活塞二阶运动引起的缸套壁面振动,导致缸套内的冷却液局部压力降低至其饱和蒸气压,从而发生空化现象.从8°到16°,气相体积分数增大,说明空化现象加剧,液态冷却液汽化成蒸汽,以气泡形态出现;从16°到24°,气相体积分数下降,空化气泡发生溃灭,此过程产生的微射流会损伤缸套壁面,引起空蚀;从24°到32°,气相体积分数有所增大,是由于冷却液的空化现象随着曲轴转角的变化一直存在并且其强度随时间变化,气泡不断生成和溃灭.为了探究微射流具有的压力、速度等,有必要对空泡的溃灭过程进行仿真分析,进一步研究缸套的空蚀.

2 近壁面空泡溃灭过程研究

2.1 控制方程

对于空泡生长的情况,RAYLEIGH[15]建立了不可压缩流体中理想球形空泡的径向运动方程,计算式为

(1)

(2)

(3)

式中:R0为空泡平衡半径.

(4)

空泡溃灭过程中泡内压力p的计算式为

(5)

式中:r为距离空泡中心的极距.

由式 (5) 可知,空泡半径R与泡内压力p为负指数相关关系.当空泡溃灭时,R→0,泡内压力增大,溃灭迸发出的微射流就会以极高的速度冲击壁面,在微射流的不断冲击下,壁面极易受到损伤.

2.2 计算模型与边界条件

对缸套近壁面空泡溃灭过程进行数值模拟,空泡在壁面附近的计算域具有对称性,因此采用二维轴对称模型,计算域、边界条件及网格模型如图3所示.根据单缸柴油机的冷却水道结构,计算域宽度为2.5 mm.计算域顶部和底部(缸套外壁)为刚性壁面条件,右侧为压力出口,左侧为轴对称边界.采用四边形网格进行划分,为了更好地捕捉空泡的形状变化,对局部区域进行加密.网格数为18.4万,加密区域网格最小尺寸为5 μm×5 μm.

图3 计算域、边界条件和网格模型

对于含空泡的气液两相流动,采用流体体积法(volume of fluid, VOF) 求解空泡界面,采用压力的隐式分割算法 (pressure-implicit with splitting of operators,PISO) 求解压力-速度的耦合过程.柴油机冷却水套的介质为体积分数为50% 的乙二醇溶液,设置流场的初始温度为冷却液的工作温度363 K,空泡内初始压力为该温度下冷却液的饱和蒸气压53 110 Pa,冷却液流场绝对压力为柴油机的工作压力300 kPa.

2.3 空泡溃灭过程分析

引入量纲一参数壁面距离γ,定义为空泡中心到壁面的距离与空泡最大半径的比值.设置空泡的初始半径为R=0.1 mm,分别研究γ=0.5,1.0和1.5时即附壁面空泡和壁面附近空泡的情况,空泡与壁面位置示意图如图4所示.

图4 空泡与壁面位置示意图

图5为γ=0.5时空泡形状随时间的变化.在t=0 μs时,空泡吸附在壁面上,泡内压力小于外部的流场压力.压力差的存在会压缩该空泡,使得空泡向中心收缩.

图5 γ=0.5时,空泡形状变化及溃灭特性

由于空泡所在空间的不对称性,可以看到4.00 μs时空泡半径已经减小,体积小于初始时刻的空泡体积,上壁面逐渐收缩,并且顶部壁面趋于扁平.当t=6.56 μs时,此时空泡上壁面已扁平,空泡体积在横向与纵向均缩小,与缸套壁面接触的部分向X轴中心处运动,且在该空泡上方出现了一个高压区,如图5b 所示,区域最大压力为1.29 MPa,在该压力的作用下,空泡壁面开始向下运动,即空泡顶部开始凹陷,此时空泡壁面处液体的运动速度为104 m/s.在6.80～7.08 μs时,空泡上壁面持续凹陷,t=7.18 μs时,液体穿破空泡的上壁面,到达缸套壁面,形成射流.图5c为7.18 μs时空泡溃灭的流场情况,可以看到此时在缸套壁面上出现了高压区,最大压力为3.44 MPa,射流速度为104.4 m/s,在该高压高速的微射流的冲击下,很容易对缸套壁面造成伤害,导致空蚀现象的发生.

图6为γ=1.0时的空泡溃灭特性.当γ=1.0时,空泡下壁面与缸套壁面相切,切点位于缸套壁面中心处.在图6a 中,当空泡开始溃灭时,由于空泡上下壁面的不对称性,上壁面趋于扁平,当t=6.66 μs时,如图6b所示,在空泡上壁面形成的高压区最大压力为1.19 MPa,同时下壁面与缸套壁面接触面积逐渐增大.随后空泡上壁面开始凹陷,t=7.60 μs时上壁面到达缸套壁面并且破裂,如图6c所示,在缸套壁面中心形成5.61 MPa的高压,射流速度为122.4 m/s.

图6 γ=1.0时,空泡形状变化及溃灭特性

图7为γ=1.5时的空泡溃灭特性.当γ=1.5时,空泡外壁面距离缸套壁面的最小距离为0.05 mm,其形状随时间的变化情况如图7a所示.

图7 γ=1.5时,空泡形状变化及溃灭特性

由于空泡上下壁面的不对称性减弱,下壁面向泡心处的收缩速度加快.t=6.74 μs时,空泡上壁面处于扁平状态,如图7b所示,上壁面处形成的高压区最大压力为2.05 MPa,该压力比γ=0.5和γ=1.0时空泡上壁面扁平时形成的高压区最大压力都高,因此会导致空泡溃灭时间减小.在空泡下壁面也存在一个1.30 MPa左右的压力区,在2个高压区的作用下,空泡上下壁面同时被压缩,且空泡体积压缩率也最大.t=7.48 μs时,如图7c所示,射流穿过空泡的上下壁面,压力大小为4.00 MPa,射流速度为105.7 m/s.

3 多泡溃灭过程研究

3.1 多泡溃灭过程

发动机实际工作过程中是多空泡共存,空泡间相互作用不容忽视.以2个空泡为研究对象,在单个空泡的竖直方向上,增加1个新的空泡,空泡的初始半径与原始空泡相同,均为0.1 mm.计算域及边界如图8所示.原始空泡的γ=1.0,泡心之间的距离为0.500 mm.图9为不同时刻空泡形状与压力云图.2个空泡所处的初始环境相同,因为位置不同,从而使得溃灭过程也有所不同.

图8 多空泡计算域及边界

图9 不同时刻下空泡形状与压力云图

当t=0.02 μs时,2个空泡形状尚未发生变化,泡内压力为冷却液在该温度下的饱和蒸气压,外部压力为工作压力.t=7.12 μs时,上壁面趋于扁平,附近流场形成高压区,最大压力为2.20 MPa,下方空泡在上方空泡的影响下,左右壁面被压缩,而上壁面没有明显被压缩趋势.t=8.24 μs时,上方空泡率先发生溃灭,此时,下方空泡上壁面也正在被压缩,受到上方空泡溃灭时所产生高速高压微射流的影响,产生的高压区最大压力为8.00 MPa,相比于单个空泡溃灭时形成的高压区压力更大.t=8.65 μs时,下方空泡也发生溃灭,产生了高达22.80 MPa大小的溃灭压力,并作用在壁面上,易使壁面受到空蚀伤害.

由于受到上方空泡的影响,下方空泡的溃灭时间相比于单个空泡溃灭时间,有所延迟.因此,多空泡的存在影响近壁面空泡的溃灭过程,产生更大的溃灭压力,增加壁面发生空蚀的可能性.

3.2 空泡间距对溃灭过程的影响

2个空泡泡心之间的距离不同,对空泡溃灭过程产生的影响也不同.保持计算条件不变,将泡心之间的距离分别设定为0.025 mm与0.050 mm进行数值模拟,并与单个空泡溃灭过程进行对比分析.

不同距离条件下,壁面中心处的压力变化与速度变化分别如图10所示.

图10 不同空泡间距壁面中心处压力和速度曲线

相比于单个空泡,多空泡的存在会使近壁面空泡溃灭时所产生的溃灭压力与射流速度大幅提高,对壁面造成的伤害也更高.泡心之间的距离越小,近壁面空泡受到上方空泡溃灭的影响更大.泡心距离为0.025 mm时,溃灭时间相比于泡心距离0.050 mm时变长,近壁面空泡受到的诱导驱动压力变大,从而导致近溃灭压力更大,为34.16 MPa,射流速度也更高,高达273.3 m/s.在高强度微射流的持续作用下,壁面发生空蚀的可能性大大提高.

3.3 空泡数量对溃灭过程的影响

通过对3.1节的研究发现,双空泡的存在对于空泡溃灭特性有显著影响,因此本节在3.1节的基础上继续增加空泡的数量,对3个、4个甚至10个空泡情况下的空泡溃灭特性进行研究.空泡半径为0.10 mm,泡心之间的距离为0.250 mm,其余边界条件与计算方法保持不变.

图11为空泡数量分别为1,2,3,4,5,7,10个时,壁面中心处的压力与速度随时间的变化曲线.相比于单个空泡,空泡数量增加后,壁面中心处的最大压力与受到的最大射流冲击速度均大幅度上升,数量级上表现为单个空泡溃灭时的3～4倍,随着空泡数量的增多,壁面上出现压力与速度最大值的时间也发生延后.

图11 不同数量空泡壁面中心处压力和速度曲线

在多空泡的情况下,当空泡数量由2个增加至3个时,壁面上的最大压力由34.16 MPa增加至36.55 MPa,3个空泡的存在对于最下方空泡溃灭的强化作用持续加强,随着空泡数量的继续增加,当空泡数量为4个时,壁面上的最大压力则有所下降,最大压力为31.93 MPa,这是因为最上方空泡逐渐靠近流场区域的中心,所在区域的不对称性减弱,对于最下方空泡溃灭的强化作用也减小,导致壁面中心处的压力下降.空泡数量增加至10个时,壁面中心处的最大压力不断减小,壁面中心处压力下降至19.78 MPa.与壁面中心处的最大压力不同,不同数量的空泡溃灭时,产生的微射流最后冲击壁面时的速度则是随着空泡数量的增大而增大,空泡数量由2个增加至10个后,其微射流冲击壁面速度由273.3 m/s增加至396.1 m/s,射流速度越大,对缸套壁面产生的空蚀损伤越大.

4 空泡溃灭与缸套空蚀的关系

缸套在受到除了冷却液的高压作用外,还会受到空泡溃灭射流冲击壁面所带来的水锤压力作用,水锤方程为

(6)

式中:pWH为水锤压力;c为液相中的声速;vw为液体指向壁面时的速度;ρs为固相的密度;cs为固相中的声速.

射流产生的水锤压力是在微秒尺度的时间内产生的,随着柴油机不断工作循环,空泡不断产生并溃灭,持续冲击壁面,诱发裂纹沿着晶界萌生并扩展,在晶界内强韧性较差的局部区域形成腐蚀凹坑,从而造成缸套壁面的破坏,产生空蚀现象.表2为不同空泡数量下产生的水锤压力,表中vc为射流冲击壁面最大速度.随着计算空泡数量的增加,壁面受到射流冲击的水锤压力也在不断增大,由186.50 MPa增加至603.50 MPa,增加了223.6%,对壁面造成的伤害程度也会因此而增加.可以得出相应结论,在多空泡的相互影响下,空泡溃灭对气缸套的冲击作用显著增强,多泡溃灭过程是引发柴油机气缸套空蚀的根本原因.

表2 不同空泡数量下空泡溃灭射流冲击壁面产生最大水锤压力

由仿真结果发现,缸套壁面中心处最大压力与射流速度与空泡数量呈现出相应的函数关系,对缸套壁面中心处最大压力pc、射流速度vc与空泡数量x分别进行非线性拟合,结果如图12所示.

图12 壁面最大压力和最大射流速度与空泡数量关系

壁面中心处最大压力与空泡数量的关系式为

pc=(x+a1)/[b1+b2(x+a1)+b3(x+a1)2],

(7)

式中:a1,b1,b2,b3为常数项,分别为0.881 28,0.008 69,0.017 29,0.003 43.

壁面中心处最大射流速度与空泡数量的关系式为

vc=t1+A1(1-e-x/t2)+A2(1-e-x/t3),

(8)

式中:A1,A2,t1,t2,t3为常数项,分别为1 134 642.98,-321.66,1 134 561.980 00,0.103 45,2.303 17.

由式 (7) — (8) 可以看出,空泡数量的增加会影响壁面中心处的最大压力与射流速度,随着数量的不断增加,对缸套壁面也会产生不同的影响.

综合前文研究可以发现,柴油机工作过程中的缸套振动导致冷却液局部压力下降,在低于饱和蒸气压时部分冷却液发生空化,产生大量空泡.由于壁面的影响,空泡由远壁面一侧向近壁面侧坍塌,远壁面一侧形成高压区,并在极短的时间内发生溃灭,引发朝向壁面的高速微射流.除空泡溃灭导致的冷却液压力波动外,射流冲击带来的水锤效应对壁面局部区域形成很高的压力,大量空泡的相互作用极大地加强了射流速度和水锤压力,最终在缸套受冲击部位造成损伤,是引发缸套发生空蚀的根本原因.

5 结 论

在对柴油机单缸水套进行空化两相流模拟和近壁面空泡溃灭过程的瞬态模拟中,主要得到以下结论:

1) 柴油机缸套壁面具有振动加载时,冷却液流动会发生空化现象,生成空化气泡,空泡溃灭时产生的微射流对壁面造成空蚀损伤.

2) 相比于单空泡的情况,多空泡在溃灭过程中由于相互作用而产生更大的溃灭压力和射流速度,并且溃灭时间有所延迟.当γ=1.0时,双空泡的溃灭压力最高可达22.80 MPa,比单空泡的溃灭压力增大了306.42%;相比于单空泡,双空泡的溃灭时间延迟了13.75%.

3) 在多空泡的情况下,空泡之间距离越小,溃灭时间越长,溃灭压力和射流速度更大,当泡心距离从0.050 mm减小至0.025 mm时,近壁面空泡的溃灭压力增大49.82%,产生的微射流速度增大10.56%.

4) 空泡数量增加后,空泡的溃灭压力和射流速度大幅提高.溃灭压力随空泡数量的增加呈先增后减的趋势,而射流速度随空泡数量的增加一直增大,当空泡数量由2个增至10个,微射流速度增大44.93%.