渦輪增壓器軸承體耦合傳熱的數值仿真

龔金科　田應華　賈國?！≌绿?/p>

摘 要：基于渦輪增壓器軸承體冷卻機理，采用專業CFD軟件和FEM軟件分別建立了軸承體流體區域和固體區域網格仿真模型.運用流固耦合的仿真計算方法對渦輪增壓器軸承體進行耦合傳熱分析，得到軸承體流體區域的流場、換熱系數及溫度場，并分析軸承體固體區域的溫度場.仿真結果表明：機油和水同時冷卻方式下，軸承體溫度分布較均勻，其冷卻性能較好.與實驗對比，仿真模型的溫度符合實際軸承體溫度分布，證明了此方法的可行性，為軸承體冷卻性能的設計優化提供依據.

關鍵詞：渦輪增壓器；溫度場；冷卻軸承體；流固耦合

摘 要：基于渦輪增壓器軸承體冷卻機理，采用專業CFD軟件和FEM軟件分別建立了軸承體流體區域和固體區域網格仿真模型.運用流固耦合的仿真計算方法對渦輪增壓器軸承體進行耦合傳熱分析，得到軸承體流體區域的流場、換熱系數及溫度場，并分析軸承體固體區域的溫度場.仿真結果表明：機油和水同時冷卻方式下，軸承體溫度分布較均勻，其冷卻性能較好.與實驗對比，仿真模型的溫度符合實際軸承體溫度分布，證明了此方法的可行性，為軸承體冷卻性能的設計優化提供依據.

關鍵詞：渦輪增壓器；溫度場；冷卻軸承體；流固耦合

渦輪增壓器安裝在發動機的進排氣歧管上，在高溫、高壓和高速運轉的惡劣環境下工作 ＼[1＼]，其各部件的溫度分布不均勻，對于軸承體，存在較大溫差，承受著很大的熱應力.軸承體作為增壓器結構中的重要組成部分，起到支撐密封環和浮動軸承的作用，而密封環和浮動軸承又是渦輪增壓器可靠性中的薄弱環節，軸承體的熱負荷程度直接影響到密封環和軸承的使用壽命和工作可靠性＼[2-5＼].

國內外為了降低渦輪增壓器全浮動軸承和密封環附近溫度，目前普遍采取用機油、水同時冷卻的方式，并對其腔體進行優化設計＼[6-7＼].但對于兩種液體同時冷卻的方式缺乏系統的傳熱分析和流場的研究.本文基于軸承體冷卻機理，利用專業CFD軟件和FEM軟件對某發動機渦輪增壓器軸承體進行耦合傳熱數值仿真研究，即同時采用機油和水對軸承體進行冷卻.通過計算得到軸承體流體區域的流場、換熱系數和溫度場分布，以及其固體區域的溫度場，并將仿真計算值與實驗值進行對比驗證.

1 渦輪增壓器軸承體傳熱原理

采用有限單元法對流體的流動與傳熱進行數值仿真，首先需要建立反映工程本質的數學模型.渦輪增壓器軸承體傳熱的數學模型包括冷卻水和機油的流動與傳熱模型、軸承體固體導熱模型和冷卻介質與軸承體交界面的耦合傳熱模型.

在冷卻水和機油的流動與傳熱計算中，其流動和傳熱過程都遵從質量守恒、動量守恒和能量守恒定律.

對于渦輪增壓器軸承體內腔冷卻液與軸承體之間的換熱問題，只在內部壁面邊界上存在熱量交換，由于流體溫度與固體壁面溫度之間是相互制約的關系，邊界條件無法預先確定.其邊界上的溫度、換熱系數，都應看成是計算結果的一部分，而不是已知條件＼[9＼].

由邊界面的熱平衡可知，在軸承體內部導向邊界的熱流密度等于從邊界面傳給周圍流體的熱流密度，即在渦輪增壓器軸承體流固耦合傳熱邊界上，固體傳出的熱量等于冷卻液吸收的熱量，由傅里葉定律和牛頓冷卻公式可得＼[8＼]：

-λ（Tn）w=h（Tw-Tf）.（3）

式中：λ為導熱系數，W/（m·K）；h為換熱系數，W/（m2·K）；Tw為壁面溫度，K；Tf為流體溫度，K.

本文所使用的FEM軟件提供了流固耦合傳熱交界面模型，即流體域和固體域幾何位置重合的面，如圖1所示.在進行流固耦合傳熱仿真計算時，固體域和流體域之間可通過此交界面進行數據傳遞.當CFD軟件仿真計算出流體區域的壁面溫度和換熱系數，將數據映射到圖1所示的耦合傳熱交界面上，成為FEM軟件計算的第3類熱邊界條件.經過FEM軟件仿真計算后，得到軸承體固體區域的溫度場，再通過耦合傳熱交接面將固體區域內部壁面溫度映射到流體區域，成為流體CFD軟件計算的邊界條件.如此反復計算，直到軸承體節點上的溫度不再變化為止.其過程如圖2所示.

2 渦輪增壓器軸承體仿真模型

2.1 渦輪增壓器軸承體網格仿真模型

渦輪增壓器軸承體在實際工作中，存在著機油、冷卻水、渦輪軸、渦輪箱、壓氣機之間的傳熱情況，在進行數值仿真計算前，為了簡化分析影響軸承體冷卻性能的主要因素，對軸承體外表面倒角和細小結構進行簡化，可避免計算出錯并使計算收斂更快.

在三維建模軟件中按照軸承體實際尺寸建立幾何模型，導出x_t格式文件，利用網格軟件分別抽取軸承體冷卻油腔和冷卻水腔，并將其導入CFD軟件進行網格劃分，如圖3和圖4所示.對于固體區域，為保證內部細小尺寸結構不失真，設置了最小網格尺寸，同時為了控制軸承體網格的數量，也設置了網格的最大尺寸，其網格如圖5所示.

2.2 物理模型材料

準確的材料物性參數是仿真分析獲得準確結果的重要前提.在該FEM軟件中，對于固體域通常需要提供固體材料的熱傳導率、比熱容、密度等參數.渦輪增壓器軸承體的材料選用灰鑄鐵（HT）250，密度為7 280 kg/m3，比熱容為510 J/（kg·K），泊松比為0.156，熱傳導率為45 W/（m·K），線膨脹系數為9×10-6 K，楊氏模量為138 000.

對于流體區域的冷卻液則需要定義其密度、比熱容、動力粘度及導熱系數等.當冷卻液壓力一定時，其物性參數只與溫度有關，即溫度的單值函數.

2.3 邊界條件

在本文研究的流固耦合計算模型中，固體壁面的邊界條件主要是指軸承體渦輪端和壓氣機端傳熱邊界條件，不考慮輻射的影響.控制渦輪增壓器轉速為80 000 r/min，渦輪進氣溫度800 ℃，在該工況下通過傳熱邊界測試獲取軸承體渦輪端、壓氣機端的初始溫度.在計算過程中，認為冷卻液的流動是三維不可壓縮的粘性湍流流動，湍流模型采用kε湍流模型.機油的入口采用壓力邊界條件，壓力入口為0.3 MPa，溫度為100 ℃，冷卻水進口采用流速邊界條件，流速為1.5 m/s，溫度為80 ℃，機油和冷卻水的出口都采用壓力邊界條件，分別為0.15 MPa和0.2 MPa.軸承體表面采用無滑移壁面邊界條件.由于軸承體通過其外壁面散熱，設環境溫度為25 ℃，熱傳遞系數為50 W/（m2·K）.

3 仿真計算結果

通過仿真計算得到增壓器軸承體流體區域的流場、換熱系數和溫度場分布以及固體區域的溫度場.

3.1 流場分析

圖6給出了冷卻油腔內機油速度流線圖，機油入口末端管徑變小，機油速率迅速增加，并分為三股流分別流向油腔頂部、中部和底部，使得機油充滿整個腔體.腔體內速度流線分布均勻，機油流動順暢，有利于機油對軸承體的冷卻.

3.2 流體域壁面換熱系數

如圖8所示，機油腔體壁面換熱系數從渦輪端至壓氣端，先減小，后增大，形成明顯的換熱系數梯度.最大換熱系數分布在細小油道靠近渦輪端側，當渦輪軸高速旋轉時，機油與軸承體進行劇烈換熱，較高的換熱系數主要分布在機油腔體進口管道、細小油道以及腔體底部和頂部，大約在800～2 000 W/（m2·K）之間.在機油出口端，換熱系數有所下降，大概在400～800 W/（m2·K）之間.這是由于換熱系數與溫差、機油流速等有關.當機油經過軸承冷卻后，其溫度上升，與軸承體的溫差減小，且腔體的出口管道截面積比進口大，機油流速下降，故此區域換熱系數變小.圖中所示深藍色區域，換熱系數最小，主要由于機油流速在此區域較小，與軸承體換熱較差.

3.3 流體區域壁面溫度場分析

圖9為機油腔體壁面溫度場分布云圖，溫度從腔體頂部至底部依次降低，由于機油腔體上部分靠近渦輪端，熱量來自發動機氣缸中排出的廢氣，通過渦輪箱而傳遞到軸承體的頂部，熱量從軸承體的渦輪端至壓氣端依次傳遞，為了充分冷卻軸承體，熱量傳遞至機油腔體時，流過腔體的機油帶走一部分熱量，越靠近渦輪端，帶走的熱量越多，相反，靠近壓氣端帶走的熱量較少，故油腔呈現明顯的溫度梯度.從圖9中可知，機油腔體壁面溫度最高為536.69 ℃，最低溫度分布在靠近壓氣端一側，為101.45 ℃.

圖10為水冷腔體壁面溫度場分布云圖，其溫度分布與機油腔體壁面相似，溫度從渦輪端至壓氣端都是依次遞減.最高溫度為553.57 ℃，最低溫度為158.53 ℃.對比圖9可知，水冷腔壁面最高溫度略高于油腔壁面最高溫度.

3.4 軸承體溫度場分析

如圖11所示，軸承體整體溫度從渦輪端至壓氣端依次遞減，最高溫度分布在與渦輪廢氣直接接觸的區域，約為550～600 ℃.經過水和機油的冷卻，軸承體靠近壓氣端一側溫度下降至95.17 ℃.圖12為軸承體切片溫度云圖，其內部溫度從高至低過渡自然，溫度梯度變化緩慢.在正常工況下，發動機尾氣的熱量通過渦輪箱傳遞給軸承體，一部分被冷卻介質帶走，另一部分傳導至壓氣機，與此同時，渦輪軸高速旋轉所產生的一部分熱量通過機油傳遞至軸承體.水和機油同時冷卻方式下，軸承體冷卻效果最佳，不易產生局部高溫和熱應力，軸承體工作較穩定，保證了渦輪增壓器的可靠性與耐久性.

4 實驗驗證

對渦輪增壓器軸承體的溫度分布進行數值模擬時，仿真結果的精確程度與傳熱邊界條件的確定直接相關.為測得準確的實際軸承體局部溫度值，需在渦輪增壓器軸承體的不同位置布置測溫點[9].

熱電偶是溫度測量儀表中一種常用的測溫原件，通過將熱能轉換成電能，再使用電氣儀表讀取被測介質的溫度.其使用壽命長、裝配簡單，具有測量范圍大、測量精度高等優點，能夠在高溫環境中工作.在渦輪增壓器軸承體的傳熱試驗中，采用WRTK112工業鎧裝熱電偶分別對軸承體外表面和內腔進行溫度測量并驗證模擬仿真的準確性，其測點位置如圖13所示.

本實驗為了模擬發動機排氣，利用經過燃燒室加熱的氣體驅動渦輪增壓器轉動，控制增壓器轉速為80 000 r/min，渦輪進氣溫度為800 ℃，待增壓器穩定運行后，測取驗證條件.如圖14所示，仿真計算結果和實測結果基本吻合，其最大誤差僅為4.6%，圖15為渦輪增壓器軸承體溫度測量實驗裝置.上述結果表明仿真模型的溫度分布符合實際軸承體溫度分布，采用計算流體力學軟件和有限元軟件相結合進行流固耦合仿真的方法對渦輪增壓器軸承體傳熱和冷卻性能的研究是可行的.

5 結 論

本文采用流固耦合的方法對某發動機渦輪增壓器軸承體進行耦合傳熱分析，結果如下：

1）機油的流場表明：機油在腔體內流動順暢，總體速度分布較均勻.

2）機油腔體壁面換熱系數從渦輪端至壓氣端，換熱系數先減小，后增大，形成明顯的換熱系數梯度，其入口端換熱系數大于出口端.

3）流體區域壁面溫度從腔體頂部至底部依次降低，但水冷腔體壁面最高溫度略高于機油腔體壁面的最高溫度.

4）軸承體固體溫度從渦輪端至壓氣端依次遞減，溫度梯度變化緩慢，其內部溫度分布較均勻，不易產生局部高溫和熱應力.

5）通過計算結果與實驗結果的比較，模型仿真的整體溫度場分布基本符合實際軸承體的溫度分布，證明了此仿真方法的可行性.

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