高強化活塞內冷油腔振蕩傳熱特性的場協同分析

朱海榮　彭培英　陳曉萌　吳亞輝　王建華

摘要：為研究高強化活塞內冷油腔振蕩強化傳熱機理，應用場協同理論對活塞內冷油腔中機油的振蕩流動與傳熱過程進行分析。采用CFD軟件Fluent模擬橢圓形油腔和水滴形油腔內機油的速度場、溫度場的分布，得到2種結構油腔的平均場協同數和協同角余弦值在不同工況下的變化規律。結果表明，場協同理論能夠很好地解釋活塞內冷油腔的振蕩強化傳熱性能，水滴形油腔內、外壁面處的協同角要小于橢圓形油腔，平均場協同數和協同角余弦值都大于橢圓形油腔，說明水滴形油腔的協同程度更好，其強化傳熱效果也更佳。采用場協同理論可以滿足活塞內冷油腔的結構優化設計，為提高活塞內冷油腔的強化傳熱能力提供了理論參考。

關鍵詞：內燃機工程;高強化活塞;內冷油腔;振蕩;強化傳熱;場協同

中圖分類號：TK124文獻標識碼：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

隨著柴油機在國防科技及民用領域應用需求的不斷增加，其強化程度不斷提高。高強化柴油機能夠提供更大的輸出功率，其零部件的可靠性面臨著更為嚴峻的考驗?；钊鳛椴裼蜋C中最重要的零部件之一，直接承受燃氣壓力、往復慣性力和高溫氣體的共同作用，極易出現高溫蠕變、疲勞斷裂和燒蝕等破壞問題，因此活塞損傷在柴油機故障中占了很大比重[1-2]。為保證柴油機安全可靠運行，必須對活塞進行有效的冷卻。目前，高強化活塞多采用帶有內冷油腔的振蕩冷卻方式，冷卻機油不斷地噴入活塞頭部的內冷油腔中，機油與空氣相混合隨活塞一起進行往復振蕩，與內冷油腔的高溫壁面進行強烈對流換熱，以對活塞進行有效冷卻，從而提高活塞的使用可靠性[3-5]。

河北科技大學學報2022年第2期朱海榮，等：高強化活塞內冷油腔振蕩傳熱特性的場協同分析采用數值模擬方法對高強化活塞內冷油腔的振蕩傳熱過程進行研究，集中出現在2000年以后。2003年，KAJIWARA等[6]首次利用CFD軟件分析了內冷油腔在不同機油填充率下的壁面換熱系數，模型中做了很多簡化假設。2005年，PAN等[7]建立了三維梯形冷卻油腔的CFD模型，得到了換熱系數與曲軸轉角、填充比與曲軸轉角的關系，研究了不同填充比時活塞溫度場的情況。2007年，YI等[8]分析了油腔中機油的振蕩流動傳熱，模擬了兩相流的流動與傳熱過程，獲得了充油率、壁面換熱系數等隨轉速、流量的變化規律，但是缺乏相應的實驗驗證。2010年，張衛正等[9]利用數值模擬方法對活塞振蕩冷卻瞬態傳熱進行了研究分析，得到了不同轉速、機油填充率在不同曲軸轉角條件下壁面的換熱系數變化。曹元福等[10-11]采用CFD動網格技術和多相流模型對封閉圓柱腔、開式冷卻油腔中的冷卻介質換熱過程進行了數值計算，分析了活塞轉速、行程改變時，換熱系數及冷卻油腔內機油通過率的變化規律，并分析了機油填充率在30%～60%范圍內流體的振蕩傳熱特性。2015年，吳倩文等[12-13]對活塞內冷油腔振蕩冷卻進行了數值模擬研究，分析了油腔機油填充率、壁面傳熱系數等隨曲軸轉角的變化規律，還研究了轉速和噴油量對活塞溫度場的影響規律。2017年，朱楠林等[14]采用數值模擬方法對活塞冷卻油腔內流體的振蕩冷卻特性做了初步論證，得到結構參數、充油率等不同時冷卻油腔壁面傳熱系數的變化規律。2018年，吳志明等[3]對活塞環形油腔周向振蕩冷卻特性進行了研究，得到了環形油腔周向壁面平均換熱系數的變化規律，發現壁面平均換熱系數在周向20°區域變化幅度最大，且在1個周期內油腔周向區域的平均換熱系數整體呈“對數”減小的趨勢。2020年，穆艷麗等[15]采用模擬仿真的研究方法，得出了一種較為通用的活塞內冷油腔仿真分析方法，并研究了油腔各壁面區域換熱系數隨曲軸轉角的變化。張衛正等[16]采用數值分析方法對活塞冷卻油腔內機油的流動與傳熱進行研究，分析了不同曲柄轉角下柴油機轉速及入口流量對機油流動特性和傳熱特性的影響，并擬合出了大功率船用柴油機外冷卻油腔振蕩傳熱的無量綱關聯式。陳卓烈[17]通過數值模擬方法研究了振蕩油腔在不同轉速、噴油壓力和加熱條件下的流動換熱特性，與搭建的試驗臺試驗結果進行對比校驗，驗證仿真計算模型的準確性。李達[18]建立了高強化柴油機活塞三維模型，分別使用動網格法和動邊界法對活塞內橢圓形內冷油腔振蕩過程中的流動和換熱特性進行數值分析，得到了在不同噴油速度和曲軸轉速下的活塞溫度場。63C49FE8-8837-41A6-9F96-3E0F71BC7209

為解釋強化傳熱機理，過增元等[19]提出了場協同理論，表明對流傳熱效率不僅取決于速度場和溫度場，也與速度場與溫度梯度場內部整體協同作用有關，速度場與熱流場的協同作用越好，對流傳熱效率越高。何雅玲等[20]則指出場協同原理可以統一解釋現有的對流換熱現象。

現有文獻多關注活塞內冷油腔振蕩傳熱過程中的流動現象和不同參數條件下的對流傳熱規律，而對油腔振蕩強化傳熱的機理研究較少。本文將運用場協同理論對高強化活塞內冷油腔的振蕩傳熱特性進行研究，對不同截面形狀的油腔在不同工況下的傳熱特性進行場協同分析。

1場協同理論基礎

過增元[21]以二維平板穩態邊界層問題為例，對其能量守恒方程進行無量綱處理，得到了努塞爾數與速度矢量和溫度梯度適量之間的關系：

2活塞內冷油腔模型

2.1模型的建立

如圖1所示，內冷油腔設置在活塞頭部，冷卻機油從噴油嘴持續噴出，通過油腔進口進入油腔，和空氣混合后隨活塞的往復直線運動形成振蕩運動。機油在油腔中的運動主要為沿著活塞軸線的軸向運動和從油腔進口到出口之間的周向運動。

文獻[21]在保證油腔橫截面面積相同的情況下，分別建立橫截面形狀為橢圓形和水滴形的內冷油腔計算模型，將內冷油腔內的流體域作為計算區域。內冷油腔的幾何模型如圖2所示。

將油腔模型的壁面劃分為4部分，分別命名為上壁面、下壁面、內壁面和外壁面。對油腔模型進行網格劃分，網格采用非結構化六面體網格。同時，需要對4個壁面的近壁面區域進行邊界層處理，邊界層網格為10層，網格劃分沿著離開壁面的方向逐漸變稀。取各壁面換熱系數的算數平均值作為平均換熱系數，通過對比不用網格數量下模型的計算結果，分析網格數對壁面平均換熱系數的影響。通過上述方法對2種形狀油腔模型的網格無關性驗證，最終確定橢圓形內冷油腔和水滴形內冷油腔的網格數量分別為60 432和64 537，網格模型劃分結果如圖3所示。

2.2控制方程和邊界條件

采用Fluent軟件進行模擬計算，湍流模型選用SST k-ω模型，壓力速度耦合選用PISO算法，動量方程和能量方程均采用二階迎風格式。壁面設為無滑移速度邊界條件，并采用Fluent動網格技術模擬內冷油腔隨活塞的往復運動。流場的控制方程如下：

3結果與討論

3.1不同形狀內冷油腔的傳熱性能分析

3.1.1速度場分布規律分析

圖4為轉速為2 000 r/min、冷卻機油填充率為50%時，橢圓形油腔和水滴形油腔（縱向截面）的機油相分布以及速度矢量圖。紅色為機油相，藍色代表空氣相，箭頭代表流體的流動方向。其中，圖4 a）、c）、e）、g）為橢圓形油腔內的流體狀況，圖4 b）、d）、f）、h）為水滴形油腔內的流動狀況。當曲軸轉角為0°CA（曲軸轉角）或180°CA時，油腔由中間位置向上或向下運動，此時油腔內的流體沿著豎直方向往復運動，在橢圓形油腔的內、外壁面附近，速度矢量的方向與壁面平行，在而在其上、下壁面附近，速度矢量的方向近似垂直于壁面;而對于水滴形油腔來說，其內、外壁面有一定的角度，與活塞的上下往復運動并不平行，所以內、外壁面附近的速度矢量方向與壁面之間存在一定的角度，在水滴形油腔的上、下壁面附近，速度矢量的方向與上、下壁面近似于垂直。當曲軸轉角為90°CA或270°CA時，油腔運動到上止點或下止點的位置，機油沖擊上、下壁面，運動受到阻礙，由于對上、下壁面的沖擊，油腔內流體湍流加劇，形成漩渦。對比圖4 c）、d）、g）和h）的速度矢量圖可以發現，水滴形油腔內流體速度方向的改變程度要比橢圓形冷卻油腔內的大，漩渦也相對較大?？偟膩碚f，受到油腔內、外壁面角度的影響，水滴形油腔內流體對內、外壁面的沖擊較大，而且在運動到上、下止點位置時，水滴形油腔內流體的湍流程度要比橢圓形的大，產生的漩渦也比較大。漩渦的形成可以加速熱量的傳遞，強化傳熱效果，使熱量不斷從熱端傳遞到冷端。

3.1.2溫度場分布規律

圖5所示為某一曲軸轉角時，橢圓形油腔和水滴形油腔縱向截面的溫度場分布云圖?？梢园l現：無論是哪種形狀的油腔，油腔內部的溫度梯度變化并不明顯，而在壁面附近處，溫度梯度的變化特別大。這與文獻[22]的規律是一致的。壁面和流體之間的熱量主要是通過邊界層傳遞，對比發現水滴形的邊界層厚度要小于橢圓形的邊界層厚度。這是由于水滴形油腔的內、外壁面與活塞的往復運動方向存在一定的角度，可以加劇流體對壁面的沖擊，改變邊界層的厚度，因此水滴形油腔的強化傳熱效果優于橢圓形冷卻油腔。由此可見，改變壁面與流體流動方向之間的角度，加強流體對壁面的沖擊，可以有效強化壁面與流體間的換熱效果。

3.2不同形狀內冷油腔的場協同性能分析

圖6為橢圓形油腔和水滴形油腔平均場協同數Fc隨曲軸轉角的變化規律。如圖6所示，在活塞運動的1個周期內，橢圓形油腔和水滴形油腔的運動趨勢基本一致。在活塞向上止點運動的過程中，Fc總體呈現上升的趨勢，在上止點附近Fc最大;在活塞由上止點向下止點運動的過程中，Fc呈現先減小后增大的趨勢，在下止點附近又達到一個峰值，這說明在上、下止點附近處，速度場與熱流場的協同程度比較好。在下止點附近處的Fc小于上止點處的，則意味著上止點附近溫度場與熱流場的協同程度要優于下止點附近的。對比2種形狀油腔的Fc發現，水滴形油腔速度場與熱流場的協同程度更好。

圖7為2種形狀油腔壁面附近的場協同角余弦值均值隨曲軸轉角的變化曲線。通過圖7可以觀察到，橢圓形油腔壁面附近處的協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處的協同角余弦值均值基本分布0.517左右，水滴形冷卻油腔內溫度梯度和速度矢量的協同性優于橢圓形冷卻油腔。這與文獻[22]的研究結果是一致的。

圖8為機油填充率為50%、轉速1 000～2 500 r/min的條件下，2種形狀油腔壁面附近協同角余弦值均值隨轉速的變化規律?？梢?，隨著轉速的增加，水滴形油腔和橢圓形油腔壁面附近的協同角余弦值均值都呈上升趨勢。當轉速從1 000 r/min增加到2 500 r/min時，水滴形油腔的協同角余弦值由0.514增加到0.518，增加了0.68%，橢圓形油腔的協同角余弦值由0.369增加到0.374，增幅為1.36%。在轉速變化范圍內，隨著轉速的提高，水滴形油腔的協同角余弦值數值較大，但增速較小;橢圓形油腔的協同角余弦值數值較小，但增幅較大?？傮w來說，在轉速范圍內，隨著轉速的提高，兩種形狀油腔的協同角余弦值均值都在增加，說明兩種形狀油腔的溫度場和速度梯度場的協同性都在變好，有利于強化傳熱，而水滴形油腔的強化傳熱效果更好。轉速對提高橢圓形油腔強化傳熱效果的作用更大。63C49FE8-8837-41A6-9F96-3E0F71BC7209

圖9為機油填充率50%、轉速2 000 r/min，活塞行程從80 mm增大到140 mm時，冷卻油腔壁面附近區域協同角余弦值隨行程的變化曲線。如圖所示，隨著行程的增加，水滴形油腔和橢圓形油腔的協同角余弦值都在不斷增大，在行程由80 mm增加到140 mm時，橢圓形油腔壁面附近區域的協同角余弦值由0.371增加到0.374，增幅為0.85%;水滴橢圓形油腔壁面傳熱系數由0.515增加到0.520，增幅為0.97%。由此可見，在行程變化范圍內，隨著行程的增大，2種形狀油腔的協同角余弦值均值都在增加，說明2種形狀油腔的溫度場和速度梯度場的協同性都變好，而水滴形油腔的強化傳熱效果始終優于橢圓形油腔，但行程對提高水滴形油腔強化傳熱效果的作用更大。

4結論

1）通過對2種不同形狀內冷油腔的速度場和溫度場分析對比可知，水滴形油腔內流體對油腔內、外側壁面的沖擊、流體的湍流程度以及油腔內部產生的漩渦都比橢圓形油腔大;水滴形油腔的邊界層厚度小于橢圓形油腔，水滴形油腔的強化傳熱效果優于橢圓形油腔。

2）通過對2種不同形狀內冷油腔的傳熱性能進行場協同分析可知，水滴形油腔的場協同數要大于橢圓形油腔，在不同轉速、行程下的協同角余弦值也要大于橢圓形油腔，說明水滴形油腔的傳熱效果優于橢圓形油腔，這與之前文獻的研究結論是一致的。

3）場協同理論能夠很好地解釋高強化活塞內冷油腔中冷卻機油的傳熱性能，運用場協同理論指導高強化活塞內冷油腔的結構設計，將為提高活塞內冷油腔的散熱性能提供一種行之有效的方法。

本文只針對2種常見形狀的內冷油腔進行驗證，證明以場協同理論解釋其強化傳熱性能的合理性。在后續研究中，將對Fluent軟件進行UDF二次開發，從場協同角度對活塞內冷油腔結構進行設計優化，并擬合得到內冷油腔設計公式，以為內冷油腔的結構設計提供具體的指導方案。

參考文獻/References：

[1]吳伋.船用柴油機燃燒室組件的流固耦合傳熱研究與活塞強度分析[D].大連：大連海事大學，2014.

WU Ji.The Fluid-structure Conjugate Heat Transfer and Strength Analysis in Combustion Chamber Components of Marine Diesel Engine[D].Dalian：Dalian Maritime University，2014.

[2]夏倩.柴油機主要零部件的有限元分析與試驗研究[D].武漢：武漢理工大學，2006.

XIA Qian.FEM Analysis and Experiment Research on the Main Parts of Diesel Engine[D].Wuhan：Wuhan University of Technology，2006.

[3]吳志明，明平劍.活塞環形油腔振蕩冷卻周向換熱特性研究[J].內燃機學報，2018，36（4）：360-368.

WU Zhiming，MING Pingjian.Study on circumferential cooling heat transfer of piston ring oil cavity[J].Transactions of Csice，2018，36（4）：360-368.

[4]凌皓敏，范建新.組合活塞振蕩冷卻結構的合理設計[J].柴油機，2008，30（4）：45-46.

LING Haomin，FAN Jianxin.Rational design of the shaking cooling system of two-piece piston[J].Diesel Engine，2008，30（4）：45-46.

[5]YOSHITAKA T，KENTA A，TAKASHI N，et al.Development of techniques for improving piston cooling performance （second report）-oil movement and heat transfer simulation in piston cooling channel with CFD[C]//JSAE Annual Congress.[S.l.]：SAE Paper，2005：9-12.

[6]KAJIWARA H，FUJIOKA Y，NEGISHI H.Prediction of temperatures on pistons with cooling gallery in diesel engines using CFD tool[C]//SAE 2003 World Congress & Exhibition.Detroit：SAE Paper，2003：986-992.

[7]PAN J F，NIGRO R，MATSUO E.3-D modeling of heat transfer in diesel engine piston cooling galleries[C]//SAE 2005 World Congress & ExhibitionDetroit：SAE Paper，2005：1644-1650.

[8]YI Y，REDDY M，JARRETT M，et al.CFD modeling of the multiphase flow and heat transfer for piston gallery cooling system[C]//Powertrain & Fluid Systems Conference and Exhibition.Rosemont：SAE Paper，2007：4128-4133.63C49FE8-8837-41A6-9F96-3E0F71BC7209

[9]張衛正，曹元福，原彥鵬，等.基于CFD的活塞振蕩冷卻的流動與傳熱仿真研究[J].內燃機學報，2010，28（1）：74-78.

ZHANG Weizheng，CAO Yuanfu，YUAN Yanpeng，et al.Simulation study of flow and heat transfer in oscillating cooling pistons based on CFD[J].Transactions of CSICE，2010，28（1）：74-78.

[10]曹元福，張衛正，楊振宇，等.封閉空腔中多相流振蕩傳熱特性的數值模擬[J].化工學報，2013，64（3）：891-896.

CAO Yuanfu，ZHANG Weizheng，YANG Zhenyu，et al.Numerical simulation of oscillating heat transfer characteristics in cavity partly filled with cooling liquid[J].CIESC Journal，2013，64（3）：891-896.

[11]曹元福，張衛正，楊振宇，等.活塞開式內冷油腔振蕩流動傳熱特性研究[J].汽車工程，2014，36（5）：546-551.

CAO Yuanfu，ZHANG Weizheng，YANG Zhenyu，et al.An investigation into the flow and heat transfer characteristics of an open cooling gallery in piston[J].Automotive Engineering，2014，36（5）：546-551.

[12]吳倩文，張敬晨，龐銘，等.活塞振蕩冷卻的數值模擬計算及溫度場分析[J].車用發動機，2015（4）：54-59.

WU Qianwen，ZHANG Jingchen，PANG Ming，et al.Numerical simulation calculation and temperature field analysis of piston oscillation cooling[J].Automotive Engines，2015（4）：54-59.

[13]吳倩文，龐銘，解志民，等.活塞振蕩冷卻流動傳熱特性的研究[J].農業裝備與車輛工程，2015，53（10）：17-22.

WU Qianwen，PANG Ming，XIE Zhimin，et al.Study of heat transfer characteristics of piston oscillation cooling flow[J].Agricultural Equipment and Vehicle Engineering，2015，53（10）：17-22.

[14]朱楠林，董非，宗明景，等.內燃機活塞內冷油腔振蕩冷卻特性的模擬研究[J].工程熱物理學報，2017，38（2）：375-380.

ZHU Nanlin，DONG Fei，ZONG Mingjing，et al.Simulation study on oscillating cooling characteristics in piston oil cooling gallery of internal combustion engines[J].Journal of Engineering Thermophysics，2017，38（2）：375-380.

[15]穆艷麗，雷基林，陳康.內冷油腔振蕩冷卻仿真方法研究[J].農業裝備與車輛工程，2020，58（2）：46-52.

MU Yanli，LEI Jilin，CHEN Kang.Simulation method for oscillation cooling of internal cooling oil cavity[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering，2020，58（2）：46-52.

[16]張衛正，劉洋，任姣.冷卻油腔機油振蕩的流動和傳熱特性研究[J].兵器裝備工程學報，2020，41（4）：220-225.

ZHANG Weizheng，LIU Yang，REN Jiao.Movement and heat transfer characteristics of oil oscillating in cooling cavity[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering，2020，41（4）：220-225.

[17]陳卓烈.活塞內冷油腔兩相流振蕩換熱特性分析及實驗研究[D].杭州：浙江大學，2020.

CHEN Zhuolie.Analysis and Experimental Study on the Oscillating Heat Transfer Characteristics of Two-phase Flow in the Cold Oil Chamber of a Piston[D].Hangzhou：Zhejiang University，2020.

[18]李達.高強化活塞振蕩冷卻及溫度場分析[D].太原：中北大學，2020.

LI Da.Highly Enhanced Piston Oscillation Cooling and Temperature Field Analysis[D].Taiyuan：North University of China，2020.

[19]過增元，黃素逸.場協同原理與強化傳熱新技術[M].北京：中國電力出版社，2004.

[20]何雅玲，陶文銓.強化單相對流換熱的基本機制[J].機械工程學報，2009，45（3）：27-38.

HE Yaling，TAO Wenquan.Fundamental mechanism of enhancing single-phase convective heat transfer[J].Journal of Mechanical Engineering，2009，45（3）：27-38.

[21]過增元.對流換熱的物理機制及其控制：速度場與熱流場的協同[J].科學通報，2000，45（19）：2118-2122.

GUO Zengyuan.Physical mechanism and control of heat convection：synergy of velocity field and heat flow field[J].Chinese Science Bulletin，2000，45（19）：2118-2122.

[22]曹元福.高強化活塞振蕩冷卻強化傳熱研究[D].北京：北京理工大學，2012.

CAO Yuanfu.Investigations of Oscillating Cooling Enhanced Heat Transfer in High Power Diesel Engine Pistons[D].Beijing：Beijing Institute of Technology，2012.63C49FE8-8837-41A6-9F96-3E0F71BC7209