发动机空心气门振荡传热特性的多相流数值模拟*

发动机空心气门振荡传热特性的多相流数值模拟*

张一兵1，吕建军1，袁广辉2

(1.武汉理工大学机电工程学院,武汉 430070； 2.奇瑞汽车股份有限公司，芜湖 241009)

[摘要] 建立了空心充钠气门内部腔体的VOF多相流分析数值模型，并利用该模型分别对空心头和空心杆两种气门腔体中填充的50%冷却介质的振荡传热进行了数值模拟，分析了空心气门腔体内冷却介质的冷却状况和空心头部直径变化对传热性能的影响。结果表明：空心头气门的传热效果优于空心杆气门；空心头气门腔体的振荡传热平均传热系数随着空心头部直径的增大呈先升高后下降的趋势。

关键词：空心气门；振荡传热；多相流；数值模拟

前言

热传递是自然界中普遍存在的一种现象，强化传热技术是学术界长期以来一直寻求发展和突破的领域。对于充有部分冷却介质的腔体，由于腔体的高速往复运动，冷却介质在腔体内发生强烈振荡，并且壁面之间形成很大的相对速度，在此条件下，流体容易形成湍流，从而产生强化传热作用，该传热方式称为振荡传热[1]。

关于振荡传热应用[2]，研究人员在内燃机活塞和气门的传热冷却方面进行过相关的研究。早期的研究主要是基于实验研究，文献[3]和文献[4]中对实验结果进行了归一化，提出了基于管流公式的振荡传热实验关联式，并广泛应用于工程设计计算。实验方法的缺点是缺乏系统的理论，并且基于实验的经验设计，对于不同的工况，可能导致传热效果与实验结果有较大的出入，不能很好地反映现实情况。近年来，随着计算机技术的发展和大型仿真软件ANSYS-FLUENT的出现，使内燃机活塞和空心气门的模拟实验和数值分析研究得以深入。文献[5]中对内冷油腔中的振荡传热进行了分析，研究了环形冷油腔中机油填充率、传热系数等参数随转速、冷却油流量的变化规律。文献[6]中采用直接数值模拟方法对钠冷却气门杆内的振荡传热进行了2D数值分析，研究发现采用中空充钠技术的排气门在2D和3D数值模拟结果上可以看出其最高温度与实体气门相比显著下降。

气门是发动机的关键零件之一，在发动机中起着输送新鲜空气和排出燃烧废气的重要作用。随着现代汽车技术的不断提高，气门的工作环境越来越恶劣，高温(800～900℃)、高压(12MPa[7])、高腐蚀的工作环境，对气门可靠性方面的要求也越来越高，为此，需要研究人员对空心气门[8]进行更深入的研究。

图1 空心头气门结构示意图

图1为发动机空心头气门结构示意图。研究发现，空心气门的平均温度较实心气门平均降低80～150℃，并且由于空心气门质量较轻，可有效减小气门与气门座圈之间的落座撞击力，减轻气门的磨损，延长气门的寿命。由于气门盘面直接与高温燃气接触，在排气过程中颈部受到高温高压废气冲刷，因此这两部分为受热影响最大的区域。如果将空心杆气门改为空心头气门结构，则能够通过气门内的液态钠将集中在头部的热量传递到杆部，降低气门头部的温度。

1 数值分析模型与边界条件

1.1 数值分析模型

流体流动同样遵守质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[9]，对于需要得到一种或者多种不相融流体间的交界面情况分析时，可采用流体体积模型(VOF)。在VOF模型中，不同的流体组分共用一组动量方程，计算时在全流场的每个计算单元内，都记录下各流体组分所占有的体积率。

对于所研究的腔体内填充部分冷却介质的空心气门模型，假设腔体内所有相的体积分数之和为1，在每个控制单元内，如果第q相流体的体积分数记为aq，那么每一个控制单元内第q相流体的体积分数会有以下情况:(1)aq=0,表示第q相流体在单元中是空的；(2)0aq<>q相流体和其他多相流体之间的分界面；(3)aq=1，表示第q相流体在单元中是充满的。

根据气门结构的对称性，将气门数值分析模型简化为二维模型[6]，经过75万次近90h的迭代计算，可以得到腔体内液态钠往复振荡运动的模拟结果。使用Gambit专用软件进行建模，依据模型的点、线、面的生成顺序进行操作构建二维模型，然后对模型进行划分网格和设定边界条件。完成网格划分后的空心气门充钠模型如图2所示。

图2 空心气门的网格划分和充钠模型

空心气门内部型腔的模型包括空心部位(图中白色区域)和填充的冷却介质金属钠(图中黑色区域)。气门沿x方向做高速往复运动，热量由空心气门腔体的头部通过冷却介质(液态钠)向底部传递。

由于高速运动时，气门中的液态钠处于复杂的运动状态，液体的雷诺数大于4 000时，液态钠此时为湍流状态，在模拟计算中，即含有湍流又含有气液两相流，因此选用剪切压力传输(SST)k-ω模型，它不仅考虑了正交发散项，使方程在靠近壁面和远离壁面都合适，而且在计算流动领域中的问题时有更高的精度和可信度；其物理模型设定为VOF多相流模型。

1.2 边界条件的设定

本文中所建立的模型是整个封闭腔体，其边界条件均为壁面边界条件。其中，气门头部温度设置为1 073K，气门杆端温度为523K[10]。由于作用于气门头部的热量主要通过与气门接触的气门导管、气门座的热传导进行传热，而气门杆与气门导管之间为滑动摩擦接触，气门导管本身所处的温度相对较低，所以更多的热量通过气门杆传递出去。为了研究液态金属钠在气门腔体内部从头部到杆部往复振荡的传热效果，建模时忽略了热量通过气门导管等向外传递的情况，将气门的颈部和杆部设置为绝热壁面，并且假设模型中的气门腔体不动，液态金属钠和气体做相对运动。施加的运动速度为凸轮的转速1 600r/min，在建模中利用UDF编程，将凸轮转速转化为往复运动的速度函数。选择PISO算法进行求解，该方法能够提高计算的效率，并且执行两个附加矫正：相邻矫正和偏斜矫正。

2 数值模拟结果

为了分析空心气门内部腔体结构对气门传热的影响，在分析中，首先将驱动气门往复运动的凸轮转速设置为1 600r/min，金属钠的填充率设为50%，然后通过改变气门内部腔体的结构形状来分析比较不同结构的传热特性。分析所采用的气门结构参数如表1所示。

表1 模拟参数 mm

头部直径D杆部直径d杆部长度b6660126601666020660

2.1 空心气门冷却介质流动过程数值模拟

图3给出了转速为1 600r/min时，空心杆气门和空心头气门空腔中冷却介质钠的流动示意图。图中白色箭头表示运动方向，黑色代表液态金属钠，灰色代表气体。

图3 空心气门冷却介质钠的流动

当空心气门在凸轮的驱动下，由上止点向下止点方向运动时，大多数的液态钠积聚在空腔的头部A；当气门接近下止点时，空腔作减速运动，液态钠在高速惯性力的作用下，已脱离头部A撞击到底部B。相反，当空腔由下止点向上止点方向运动时，液态钠积聚在空腔底部B，接近上止点时，空腔作减速运动，液态钠在高速惯性力的作用下，已脱离底部B撞击到头部A。由于空腔的往复运动，液态钠在空腔内不断地流动冲击头部和底部，将热量不断从头部传到杆部，实现了振荡传热。

2.2 空心气门传热效果分析

传热系数是表征传热过程强烈程度的标尺，而平均传热系数则表征了在某一条件下传热程度的平均大小，它可以用来解释整体传热程度。

根据表1所给出的不同结构参数建立不同参数模型，计算得出的瞬时传热系数曲线如图4所示。

图4 D=16mm,d=6mm结构参数模型下的瞬时传热曲线

由图4可知，瞬时传热系数在某个确定的数值范围内上下波动，这是由于在运动过程中腔体内介质以气体、液态钠以及气体和液态钠的混合态存在，并且位置不同，它们的体积分数也不同，导致温度、密度、压力发生变化，因此瞬时传热系数呈现波动状态。

由图4的D=16mm,d=6mm结构参数模型下的瞬时传热曲线，经整理分析后得出其他3组平均传热系数随空心头气门头部直径的变化关系，如表2所示。

表2 传热系数随空心头气门头部直径变化

气门头部直径D/mm平均传热系数/(kW·(m2·K)-1)6912100516142011

由表2可知：空心头气门比空心杆气门的传热效果好，与空心杆气门相比，空心头气门的最大传热系数提高了56%；平均传热系数随着头部直径的增大出现先增大后减小的情况，并且在这一范围(6～20mm)内有一个合适的头径与杆径比值使传热效果达到最佳。

2.3 数值分析结果验证

文献[3]中通过对封闭冷却腔体内的传热实验数据进行归一化处理，得到可用于验证振荡传热实验的Bush关联式为

(1)

其中；；；h=2U

式中：D1为空腔直径；b为空腔长度；n为转速；λ为冷却介质的导热率；ν为冷却介质的运动黏度；D*为径长比。

本数据计算中雷诺数使用公式为

(2)

式中：D为空心腔体头部直径；液态钠的密度ρ=852kg/m3；液态钠的黏度η=7.64×10-4kg/(m·s)，其余参数如表3所示。

表3 液态钠在不同腔体直径下的平均速度

液态钠的平均流速v/(m·s-1)腔体头部直径D/mm646125122851618020

数值模拟结果和Bush关联式计算结果如图5

图5 仿真结果与Bush关联式的对比

所示。由图可见，大多数仿真结果与关联式的结果趋势一致，表明建立的模型是合理的。两者之间存在误差，是由于Bush关联式研究的是同直径下的振荡传热模型，未考虑腔体头部直径变化作用下的液体流动的作用，雷诺数的计算使用的转速n为曲轴转速，而本文计算中直接使用模拟结果中的湍流速度代入式(2)，说明基于实验的关联式还存在些不足，应针对变直径的情况，进一步研究和修正实验关联式的相关影响系数和参数。

3 结论

(1) 应用FLUENT软件和VOF多相流模型对发动机空心气门腔体内金属钠和气体高速振荡流动与传热进行了计算，分析得出振荡传热有助于提高空心气门的传热效率。

(2) 空心头结构的气门传热冷却效果优于空心杆结构的气门传热效果。

(3) 当空心气门腔体内液态钠的填充率为50%时，在腔体的杆径与长度不变的条件下，选择合适空心头气门的直径尺寸可以使传热系数最大提高56%。

参考文献：

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[5] 曹元福,张卫正,等.封闭空腔中多相流振荡传热特性的数值模拟[J].化工学报,2013,64(3):891-896.

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[10] 孙建新.内燃机构造与原理[M].北京:人民交通出版社,2004:40-50.

Multiphase Flow Numerical Simulation on the Oscillating HeatTransfer Characteristics of Engine Hollow Valves

Zhang Yibing1, Lü Jianjun1 & Yuan Guanghui2

1.School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070；2.Chery Automobile Limited by Share Ltd., Wuhu 241009

[Abstract] A VOF multiphase flow analysis model for the inner cavity of sodium filled hollow valves is established, with which a numerical simulation is conducted on the oscillating heat transfer of both head-shaped and rod-shaped hollow valves filled with 50% volume of cooling medium, and the influences of cooling condition and hollow head diameter on heat transfer performance are analyzed. The results show that the heat transfer effect of head-shaped hollow valve is better than that of rod-shaped hollow valve, and for head-shaped hollow valve, with the increase of the diameter of hollow head, the change of average oscillating heat transfer coefficient exhibits a tendency of rise first and then fall.

Keywords：hollow valve; oscillating heat transfer; multiphase flow; numerical simulation

*国家自然科学基金(51205297)资助。

2016231

原稿收到日期为2015年9月21日，修改稿收到日期为2015年12月30日。