浙江大学学报(工学版), 2020, 54(3): 435-441 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.03.002

机械工程

活塞内冷油腔两相流振荡可视化模拟

黄钰期,, 陈卓烈, 胡军强,, 李梅, 牛昊一

Visual simulation of two-phase flow oscillating flow in piston cooling gallery

HUANG Yu-qi,, CHEN Zhuo-lie, HU Jun-qiang,, LI Mei, NIU Hao-yi

通讯作者: 胡军强,男,研究员. orcid.org/0000-0002-8301-8120. E-mail: hujunqiang@csic711.com

收稿日期: 2019-01-29  

Received: 2019-01-29  

作者简介 About authors

黄钰期(1979—),女,副教授,从事车辆及动力电池热管理、余热回收研究.orcid.org/0000-0003-3152-5021.E-mail:huangyuqi@zju.edu.cn , E-mail:huangyuqi@zju.edu.cn

摘要

设计并搭建一个活塞振荡两相流可视化模拟试验台,利用3D打印技术还原某型号柴油机的活塞内冷油腔,针对甘油水溶液以及大豆油2种不同的冷却介质,在可视化拍摄流场图像的同时,收集出油数据并计算通过率. 研究发现,所采用的试验方法可摒弃喷油飞溅干扰,准确采集出油量数据,获得了清晰可辨的可视化图像. 将拍摄结果进行对比分析,并对两相流振荡的流型进行辨识和分类,发现当雷诺数达到20 000以上时,两相流振荡的流动状态会发生明显变化,流动进入强湍流状态.

关键词: 两相流振荡 ; 模拟油腔 ; 可视化试验 ; 流型分析 ; 雷诺数

Abstract

The experimental platform for two-phase flow oscillating flow visualization experiment was designed and established, by using 3D printing technology to restore the cooling gallery in a certain type of diesel engine piston. For the two different cooling media, glycerin aqueous solution and soybean oil, oil output data was collected and the oil pass rate was calculated while the flow field images were taken visually. The oil data was collected and the pass rate was calculated while taking visual image of flow field for two different fluid medium. Results show that the proposed test method can abandon the spray splash interference, collect the oil output data, obtain a clear and identifiable visual image. The photographic results were compared and analyzed, and the flow patterns of two-phase flow oscillating flow were identified and classified. As results, when the Reynolds number is above 20 000, the flow state of the two-phase flow oscillating flow changes significantly and enter strong turbulent state.

Keywords: two-phase flow oscillating ; simulated cooling gallery ; visual experiment ; flow pattern analysis ; Reynolds number

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本文引用格式

黄钰期, 陈卓烈, 胡军强, 李梅, 牛昊一. 活塞内冷油腔两相流振荡可视化模拟. 浙江大学学报(工学版)[J], 2020, 54(3): 435-441 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.03.002

HUANG Yu-qi, CHEN Zhuo-lie, HU Jun-qiang, LI Mei, NIU Hao-yi. Visual simulation of two-phase flow oscillating flow in piston cooling gallery. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2020, 54(3): 435-441 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2020.03.002

随着发动机的高速化、大功率化、低碳化和增压化,活塞承受着高热负荷、高机械负荷以及高运动速度[1]. 由于活塞的工作环境恶劣,要保证活塞的可靠性、耐久性和经济性,就必须对活塞进行良好的冷却. 活塞的冷却方式有很多种,振荡换热作为一种非常高效的强化散热方式,可以通过内冷油腔中的机油振荡带走活塞总热量的60%~70%[2-4],对于发动机的余热再利用、热量转移、减小活塞热应力方面具有重要的意义[5-6],因此该种冷却方式在高强化发动机中得到了广泛的应用[7]. 有研究表明,采用振荡换热的方法可以使活塞的顶面温度下降近40 °C [8]. 这种冷却方法最早由Heron[9]于1923年在他的专利中提出,并被应用于飞机发动机(采用钠的振荡流动来冷却气门),发展到现在,该技术已被广泛地应用于汽车的内燃机活塞冷却[7].

在采用振荡冷却方案的发动机活塞设计过程中,活塞内冷油腔换热系数是分析活塞热状态的关键,其赋值的准确与否直接关系到活塞的整体热状态评估. 早期的研究主要通过试验手段来完成. 1965年Bush等[10]根据试验结果,提出了基于管流公式的振荡传热的实验关联式. 2006年,Fu等[11]利用“π”形二维冷却通道模拟了活塞冷却传热速率受振荡频率、振幅以及雷诺数的影响. 2006年,谭建松等[12]采用经验公式对内冷油腔、底喷无油腔、无底喷油雾以及高位空心环内冷等4种不同冷却方式的活塞温度场进行了计算. 2017年,邓晰文等[13]搭建了振荡流动模拟试验台,对不同填充率下的腔内两相流流动状态和传热特性开展了研究. 这些工作为一些不同结构的内冷活塞提供了切实有效的经验公式,但由于两相流的流动和传热特性都极为复杂,当油腔结构发生变化时,利用其他油腔所获得的经验公式可能不再适用,单纯通过试验手段也无法满足深入研究的要求. 因此,采用 流体力学仿真(computational fluid dynamics,CFD)技术研究活塞冷却油腔表面换热系数的优势开始凸显出来. 随着现代计算机技术和数值计算方法的快速发展,CFD技术已经成为研究流体流动和传热的重要手段[14-17],为活塞热状态的评估和结构设计提供了有效的辅助.

当前虽已大量采用数值模拟方法对活塞进行分析,但由于现有试验多以实机试验为主,模拟试验相对较少,且已有的模拟试验大多针对结构简单的直腔或单环油腔[18-19],对复杂结构的模拟实验则更少;而在实机试验中,又难以获取流动形态以及机油流通数据[20],导致仿真方法的可靠性验证成为难题,急须进一步丰富可视化模拟实验成果,为不同类型内冷油腔的数值模拟提供验证和参考.

本研究搭建一个可视化模拟试验台,利用3D打印技术还原某型号柴油机中的振荡油腔,在拍摄流场图像的同时,收集出油数据并计算通过率. 将不同转速、不同冷却介质下拍摄得到的可视化图像进行对比分析,并对振荡两相流的流动形态和特性开展进一步分析与辨别.

1. 试验系统和方法

本研究旨在对活塞内冷油腔的两相流振荡流动特性开展可视化研究,主要是分析发动机转速、喷油流量以及冷却介质黏度对振荡形态、通过率产生的影响,并通过理论分析将该规律拓展到实机工况下.

1.1. 试验系统

本试验的研究对象为某船用柴油机活塞内冷油腔,该柴油机的转速为1 858 r/min,行程为210 mm,连杆长364 mm,其主要结构分为内、外两环,并以8根通道连接内、外两环,外环开有进油口,内环的中部开有出油口. 为实现试验过程可视化,内冷油腔试验件采用透明材料整体3D打印而成,并设计加工固定件对试验件进行夹持固定,具体如图1所示.

图 1

图 1   内冷油腔三维模型及试件安装方式

Fig.1   3D model of piston cooling gallery and installation method of test pieces


试验系统主要包括供油系统、运动系统以及测量系统部分,如图2所示. 供油系统包括供油管路、油泵、喷油嘴和流量计,其中油泵压力p可调节,以提供不同的喷油嘴供油流量;喷油嘴按照实际模型3D打印而成,其三维模型如图3所示. 运动系统由驱动电机、曲柄连杆机构和导轨滑块构成;整个内冷油腔的往复运动由驱动电机提供扭矩,采用2.2 kW四级立式西门子电机,电机最高转速为1 720 r/min,额定电压为440 V,由4 kW变频器进行转速控制;试验时采用的3组转速为200、400、600 r/min. 测量系统则包括Photron Fastcam Mini AX100型号高速相机、内冷油腔出口集油箱和1 000 ML标准量筒,高速相机用以拍摄内冷油腔分别位于上止点、中点、下至点时的两相流振荡流动情况,集油箱则用于收集试验中从内冷油腔出口流出的冷却介质,并以量筒进行体积测量.

图 2

图 2   两相流振荡可视化试验台原理图

1-试验台面;2-回油泵;3-储油箱;4-供油泵;5-流量计;6-导油管;7-铝型材;8-驱动电机;9-联轴器;10-轴承固定座;11-曲柄连杆机构;12-导轨与滑块;13-内冷油腔;14-计算机;15-高速相机;16-喷油嘴;17-集油箱   Schematic diagram of two-phase flow oscillation visualization experimental platform


图 3

图 3   喷油嘴三维模型图

Fig.3   3D model of fuel injection nozzle


1.2. 冷却介质

在以往试验中,实机试验大多采用发动机机油作为冷却介质,而模拟试验则直接采用水进行冷却[15, 18, 21],黏度与实机机油有较大差异. 黏度的不同会对两相流振荡形态产生影响,因此对于模拟试验来说,直接采用水进行测试,无法很好地反应活塞内冷油腔内的两相流振荡情况. 为消除冷却介质黏度不同产生的影响,本试验根据黏度进行冷却介质的选取. 据了解,实机工作时的机油温度在85 °C左右,此时的机油黏度大约为0.016 8 N·s/m2. 通过查阅常见溶液的黏度表,选取甘油水溶液作为冷却介质,其黏度参数与85 °C时的机油黏度一致;为进一步分析冷却介质黏度对两相流振荡形态的影响,并寻找两相流振荡中冷却介质从层流到湍流的雷诺数过渡区间,本试验同时选取20 °C的大豆油作为冷却介质,该2种冷却介质的物性参数如表1所示. 表中, $\rho $为密度, $\nu $为动力黏度.

表 1   冷却介质物性参数

Tab.1  Physical parameters of cooling medium

冷却介质 $\rho $/(kg·m−3 $\nu $/(N·s·m−2
甘油水溶液 1 260 0.016 8
大豆油 920 0.068 5

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1.3. 试验参数定义

1)电机迟滞时间 ${t_0}$.

由于整套往复运动装置质量较大,在转速较低时,电机的启动会存在一定的迟滞现象,在试验进行前,分别以不同的转速启动电机并记录按下开关至电机开始运转的迟滞时间 ${t_0}$.

2)内冷油腔出口流量 ${Q_{{\rm{out}}}}$.

$ {Q_{{\rm{out}}}}{\rm{ = }}\frac{{{V_{{\rm{out}}}}}}{t}. $

式中: $t$为试验时间; ${V_{{\rm{out}}}}$为每轮试验在t时间内,油腔出口处收集到的冷却介质体积.

3)油腔冷却介质通过率 $\phi $.

$ \phi = \frac{{{Q_{{\rm{in}}}}}}{{{Q_{{\rm{pip}}}}}} \times 100\text{%}. $

式中: ${Q_{{\rm{in}}}}$为内冷油腔入口流量, ${Q_{{\rm{pip}}}}$为喷油嘴流量.

2. 试验结果及分析

2.1. 甘油水溶液试验

模拟试验的转速N范围为200~600 r/min,使用油泵一档、二档进行供油(测得油泵一档、二档分别可提供的甘油水溶液的喷油流量为0.015和0.025 kg/s),使用甘油水溶液进行重复试验. 在收集数据的同时,对转速为200、400、600 r/min的油腔运动过程进行上止点、中点、下止点拍摄,以获取清晰详尽的图像用以分析. 图4显示了在喷油流量为0.015 kg/s时,不同转速下,内冷油腔位于下止点时的腔内流动状态. 图5显示了喷油流量为0.025 kg/s时,不同转速下,内冷油腔处于不同曲轴转角δ(分别对应上止点、中点与下止点)时的腔内流动形态. 由于不同位置的摄录需要移动相机,上止点、中点及下止点的取景范围与光线亮度略有差异,但均可识别腔内流动特征.

图 4

图 4   当喷油流量为0.015 kg/s时不同转速下内冷油腔下止点腔内甘油水溶液流动状态

Fig.4   Flow patterns of glycerol aqueous of BDC piston cooling gallery at different rotation speeds with injection flow rate of 0.015 kg/s


图 5

图 5   当喷油流量为0.025 kg/s时,不同转速下内冷油腔在不同曲轴转角时的腔内介质流动状态

Fig.5   Flow patterns of glycerol aqueous of piston cooling gallery at different crank angles and different rotation speeds with injection flow rate of 0.025 kg/s


由甘油水溶液试验可视化拍摄结果可以发现,喷油流量对腔内流动形态影响不大,流动形式主要与由转速和行程共同决定的油腔线速度有关;当转速达到400 r/min时,流动进入明显的强湍流状态,腔内有微小气泡产生,各位置下拍摄到的液体清澈度下降,气-液分界线难以辨别. 因此,主要提取当喷油流量为0.025 kg/s时的试验结果进行分析,试验数据如表2所示, $\bar \phi $为平均通过率. 可见,随着转速的逐渐提高,冷却介质的通过率逐渐下降. 转速越大,冷却介质越难以进入油腔;相应地,冷却介质在油腔内的填充率就越小.

表 2   当喷油流量为0.025 kg/s时甘油水溶液试验数据

Tab.2  Test data of glycerol aqueous solution with flow rate of 0.025 kg/s

序号 N/(r·min−1) $V$/mL ${t_0}$/s ${Q_{{\rm{out}}}}$/(mL·s−1) $\phi $/% $\overline \phi $/%
1 200 302 1.74 17.48 89.62 91.49
2 264 17.32 88.81
3 298 18.73 96.05
4 300 240 1.45 15.82 81.12 82.83
5 254 15.87 81.38
6 236 16.77 86.00
7 400 230 1.07 15.88 81.44 79.42
8 218 14.38 73.74
9 247 16.20 83.08
10 500 202 0 11.78 59.94 52.77
11 220 10.06 51.59
12 228 9.12 46.79
13 600 184 0 9.32 47.82 43.69
14 187 8.46 43.37
15 178 7.78 39.89

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2.2. 大豆油试验

将冷却介质换成大豆油,调节油泵档位,对比大豆油在不同档位下的喷嘴流量,测得油泵一档、二档分别可提供的大豆油的喷油流量为0.009 6和0.013 0 kg/s. 使用大豆油进行重复试验. 在收集数据的同时,对转速为200、400、600 r/min的油腔运动过程进行上止点、下止点拍摄,以获取清晰详尽的图像用以分析. 由于20 °C的大豆油黏度非常高,在相同压力下,喷嘴流量小于使用甘油水溶液作为冷却介质时的出口流量,远小于实机发动机的喷油流量.

根据甘油水溶液试验,可以发现供油压力对冷却介质在内冷油腔中的流动状态的影响较小. 因此,在大豆油试验的数据记录与可视化拍摄过程中,主要采用模拟实机压力(二档泵压为0.5 MPa)的方式进行供油. 经过收集内冷油腔的出口油量,计算得到试验中冷却介质的通过率,并将其与甘油水溶液试验的通过率进行对比,如图6所示. 其中, $\phi $为通过率.

图 6

图 6   甘油水溶液与大豆油通过率对比

Fig.6   Comparison of pass rate of glycerin aqueous solution and soybean oil


与甘油水的通过率相比,低转速下大豆油通过率更低,而高转速下相对略高. 这可能是由黏度和供油压力(流量)2个因素共同作用而导致的. 对同一种冷却介质,相同转速下,当喷油压力(流量)更大时,喷嘴上方飞溅和反弹的油液相对更多. 此时虽然腔内冷却介质的质量分数会有所提升,但通过油腔的冷却介质比例相对更低,通过率会随之减小. 虽然在2次实验中,大豆油的供油流量低于甘油水,但由于大豆油的黏度更高,在低速振荡下腔内滞留的油量占比较多,这些滞留在腔内的冷却介质对通过率产生了较大影响,因此低转速下大豆油的通过率比甘油水略低;而转速调升后,相对速度增加,黏度产生的影响逐渐被削弱,冷却介质通过更为顺畅,因此大豆油的通过率稍稍高于喷嘴流量更大的甘油水溶液.

不同转速、不同位置的大豆油拍摄图片如图7所示. 从大豆油的可视化拍摄中可以发现,振荡最明显的时间同样发生在下止点,但流动的破碎程度远远小于相同转速下的甘油水溶液试验,大多时候仍然可以观测到清晰的气液分界线. 但随着转速的升高,流动形态逐渐趋于破碎,气液分界线清晰程度下降,与甘油水溶液试验的趋势一致.

图 7

图 7   当泵压为0.5 MPa时,不同转速下在内冷油腔分别位于上、下止点时的大豆油流动形态

Fig.7   Flow patterns of soybean oil when piston cooling gallery is at TDC and BDC at different rotation speeds with pump pressure of 0.5 MPa


2.3. 流动状态分析

为了对流动状态及其界限作出清晰的辨别,对内冷油腔中的无量纲振荡雷诺数进行分析. 内冷油腔的振荡雷诺数最早由Bush等[10]通过大量试验总结提出,其雷诺数按下式计算:

$ Re = \frac{{\nu D\rho }}{\mu }. $

式中: $Re$为内冷油腔振荡雷诺数; $D$为内冷油腔的当量直径;μ为冷却介质黏度;ν为活塞振荡速度,可由下式计算:

$ v = r\omega \left[\sin\; \alpha + \frac{\lambda }{2}\sin\; (2\alpha) \right]. $

式中:ω为发动机转速;r为发动机曲柄半径;α为某一时刻发动机的曲轴转角;λ为发动机连杆比.

对于非圆形截面管道来说,假定在压降相等的条件下,圆管壁面上的切应力与非圆管相等,因此水力当量直径 $D$可用如下公式计算:

$ D = 4A/P. $

式中:A为管道截面积,P为管道截面周长.

根据以上定义,当溶液分别为甘油水和大豆油的情况下,各转速下相应的雷诺数如表3所示.

表 3   不同转速下的甘油水溶液、大豆油、实机机油雷诺数

Tab.3  Reynolds number of glycerin aqueous solution,soybean oil and engine oil at different rotation speeds

N/(r·min−1) v/(m·s−1) Re
甘油水溶液 大豆油 实机机油
200 2.31 10 568 1 893 7 129
300 3.46 15 830 2 835 10 679
400 4.62 21 137 3 785 14 259
500 5.77 26 398 4 727 17 808
600 6.93 31 704 5 678 21 388
1 858 20.78 64 134

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为了获取更多流动相关的信息,对研究者之前拍摄过的直腔[21]也进行雷诺数计算,计算结果如表4所示.

表 4   不同转速下的直腔试验雷诺数

Tab.4  Reynolds number of straight piston gallery experiment at different rotation speeds

N/(r·min−1 $Re$ N/(r·min−1 $Re$
400 14 042 800 28 085
500 17 553 900 31 595
600 21 063 1 000 35 106
700 24 574

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将雷诺数与视频拍摄结果一一对应起来,可以发现以下如图8所示规律. 图8按雷诺数从小到大列出了一些对应的图片(全部为行程中点位置). 虽然不同试验对象的清晰度和取景范围有所差异,不同冷却介质在振荡下的表现也有不同,但可以发现当雷诺数达到20 000以上时,流态出现典型特征,气液界面不再清晰,腔内产生大量气泡和液滴,表明流动进入强湍流状态.

图 8

图 8   雷诺数与流态对应关系

Fig.8   Reynolds number and flow patterns correspondence table


根据前面的雷诺数统计可以发现,甘油水溶液在400 r/min时便已进入强湍流状态;直腔振荡试验[21]使用冷却水为介质,由于行程相对较短,约在500~600 r/min进入强湍流;而大豆油由于黏度太大,即使转速达到600 r/min,流动也没有进入强湍流状态. 根据以上分析可知,腔内振荡在雷诺数达到20 000以上时,流动转变为强湍流状态.

3. 结 语

本研究针对透明油腔开展可视化试验,不仅获得了不同转速下的机油通过率数据,还摄录了腔内流动分布特性. 研究发现,本文所采用的试验方法可摒弃喷油飞溅干扰,准确采集出油量,并获得清晰可辨的可视化拍摄的图像. 将拍摄结果进行对比分析后,得到以下结论:

1)喷油流量对腔内流动形态影响不大,与流动形式主要由转速和行程共同决定的油腔线速度有关;在相同行程下,当油腔转速上升时,机油通过率逐步降低;

2)综合各个试验的雷诺数与视频图像进行分析,可以发现在振荡内流中,当雷诺数在20 000:以上时,流动进入强湍流状态.

3)当采用大豆油进行试验时,由于介质黏度过高,即使转速达到600 r/min,腔内的振荡流动也并不会一直保持剧烈的湍流状态. 但这并不能说明大豆油的这一状态属于层流,而只能说明其更接近于一个流动转捩的状态:时而和缓,时而剧烈. 考虑到任何流动下临界雷诺数本就会是一个区间,如管流的临界雷诺数在2 000~2 300,圆柱绕流的临界区则为30 000~350 000,因此,腔内振荡流可能存在一个更宽泛的临界雷诺数区间,在这一区间内的流动可能同时带有层流和湍流的特征,难以被准确定性;

4)当采用甘油水溶液测试时,大约在400 r/min进入强湍流;综合之前的直腔振荡试验[21]可以发现,当流动进入强湍流后(转速为500~600 r/min),换热系数将会显著提升,此时进一步增加转速,能达到的强化换热效果会趋于平缓.

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Multi-objective optimization of cooling galleries inside pistons of a diesel engine

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