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测量模块对柴油机缸体上水孔流量测量的影响研究(一)


测量模块对柴油机缸体上水孔流量测量的影响研究(一),柴油机缸体上水孔流量测量时, 由涡轮流量计和测量板组成的测量模块会对冷却水流动产生压力损失, 从而影响上水孔流量测量结果的准确性, 为研究测量模块对缸体上水孔流量测量的影响, 本文中进行了试验和仿真研究。首先采用涡轮流量计和某一测量板结构对缸体上水孔进行流量测量试验;接着采用数值方法对冷却系统流动开展三维仿真。经对比分析, 发现上述测量模块对上水孔流量测量结果的影响较大, *大相对误差超过25%。在此基础上, 对测量模块中涡轮流量计的内径和长度、测量板水孔结构、水孔深度和出水孔径的影响进行了分析, 得到优化匹配的测量模块, 即内径为15 mm和长度为55 mm的涡轮流量计匹配水孔深度为20 mm、出水孔径为15 mm和圆柱形水孔结构的测量板。结果表明:改进后的测量模块有效地提高了测量结果的准确性, *大相对误差只有3.60%。

随着国家排放法规的日益严格, 市场对柴油机节能减排和可靠性的要求愈加严苛。柴油机冷却系统的工作能力直接影响受热零部件的热负荷和相关摩擦副的润滑条件, 进而关系发动机的燃油消耗、污染物排放和可靠性。因此, 冷却系统的精细化设计和控制技术成为柴油机研究中的重要环节。

长期以来, 数值仿真方法, 尤其是三维CFD技术的发展, 为柴油机冷却系统优化设计提供了有效的手段[1,2,3,4,5,6,7,8], 然而, 由于冷却系统流道结构复杂, 其实际流动状态不仅与设计有关, 还受到制造工艺的显著影响, 这种工艺因素目前尚不能采用数值方法准确计算。因此, 工程上还是采用试验测量的方法检验冷却水道的流动情况, 以之检验设计与制造综合质量水平。其中各上水孔的流量常被作为内部流动情况的重要表征, 涡轮流量计则是常用的传感器。上述测试过程中, 涡轮流量计在安装和固定等使用过程中须采用测量板, 上水孔流量测量结果受到由涡轮流量计和测量板组成的测量模块的流动阻力的影响, 准确掌握这种影响, 对于测量板结构优化设计、提高流量测量**度具有重要意义。

鉴于目前相关研究较少, 本文中采用试验测量与模拟计算相结合的方法深入研究涡轮流量计和测量板组成的测量模块对柴油机缸体上水孔流量测量的影响, 为测量板结构的优化设计和提高流量测量**度提供理论依据。

1 柴油机上水孔流量测量试验

1.1 试验装置和试验方法

图1 柴油机上水孔流量测量试验装置示意图 

整个试验台示意图如图1所示, 流量计安装如图2所示, 测量板结构如图3所示。试验装置为闭式系统, 试验介质为清水, 温度为室温。总流量使用高精度电磁流量计进行测量, 布置在水泵进口前。在柴油机进出水口各布置1个水压传感器来测量压差和1个PT100热电阻来测量温度。变频电机和水泵布置在发动机进水口前, 涡轮流量计选用LWGY-10, 上下两块测量板固定和安装24个涡轮流量计测量各上水孔流量, 试验方法按某发动机冷却系统规范进行。试验仪器如表1所示, 某六缸柴油机技术参数如表2所示。

图2 流量计安装示意图 

图3 测量板结构 

表1 试验仪器表


1.2 试验结果

由于试验数据较多, 现只选1组试验数据对后面的仿真计算进行校验, 其中试验边界条件为:入口流量8.37 kg/s、入口水温311 K和出水压力11 837 Pa。各上水孔的编号如图4所示, 由于试验过程中第2, 5和11上水孔的涡轮流量计损坏, 故将这3个上水孔流量数据剔除。试验所测得数据如图5所示。

表2 某六缸柴油机技术参数 


图4 各上水孔编号  

图5 缸体上水孔流量试验值  

2 柴油机冷却水流动CFD分析

为研究涡轮流量计和测量板组成的测量模块对缸体上水孔流量测量的影响, 采用CFD对引入测量模块前后各上水孔流量的变化进行对比分析。

2.1 几何模型的建立

本文中研究对象为某直列六缸柴油机冷却系统, 由于整体结构十分复杂, 完全按照其实体建立计算模型非常困难, 在保证对数值模拟计算结果不产生很大影响的前提下, 对实际的实体结构进行一些简化处理, 如略去某些过渡圆角、倒角等次要细节, 对一些关键位置 (如缸盖水套“鼻梁”区) 不作任何简化。利用三维CAD软件建立六缸冷却系统的几何模型。

图6 涡轮流量计 简化模型  

为研究测量模块对柴油机缸体上水孔流量测量的影响, 对涡轮流量计和测量板进行三维建模。由于涡轮流量计的实物结构复杂, 建模难度很大, 而流量计中叶轮对上水孔流量的影响体现在冷却水通过叶轮时会产生一定的压力损失, 所以可将流量计简化成圆柱筒, 叶轮对冷却水的影响可用一个加有流量-压损曲线的inerior面来代替, 如图6所示。

对LWGY-10涡轮流量计中叶轮的流量-压损关系进行了测量, 结果见表3。

表3 叶轮的流量-压损数据表 


将流量-压损关系拟合为二次多项式, 其表达式为

Δp=11414q2v+1185qv+149.46 (1)

而叶轮的压力损失的理论计算公式[7]

Δp=8aqv2ρπ2d4 (2)

式中:Δp为压力损失, Pa;a为压力损失系数;qv为通过流量计的质量流量, kg/s;ρ为液体密度, kg/m3;d为流量计内径, m。

对比式 (1) 和式 (2) 可见, 两者趋势相符, 均为二次函数。

2.2 流体动力学模型的建立

冷却水假设为不可压缩流体, 控制方程采用无滑移壁面假设, 其质量和动量守恒方程为

ρt+(ρU)=0 (3)(ρU)t=ρF-p+μΔU (4)

式中:ρ为流体的密度;U为流体的速度矢量;F为作用在流体上的质量力;p为流体压力;μ为流体的动力学黏度;t为时间变量。

根据基于雷诺时均法的数值计算方法, 引入标准k-ε双方程湍流模型, 如式 (5) 和式 (6) 所示。

湍能能量方程:

ρkt+ρuikxi=xi[(μ+μtσk)kxi]+Gk+Gb-ρε (5)

湍能耗散率方程:

ρεt+xi(ρεui)=x[(μ+utσε)εx]+ C1εεk(Gk+C3εGb)-C2ερε2k (6)

其中μt=ρCμk2/ε

式中:k为湍动能;uiUi方向上的速度分量;μt为湍流黏度;ε为湍流耗散率;Gk为平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;Gb为由浮力产生的湍流动能;σk, σε为湍流普朗特数;C1ε, C2ε, C3ε, Cμ为经验常数。

2.3 计算网格模型的建立

图7 柴油机冷却系统网格 

分别对所建带与不带测量模块的柴油机冷却水流动模型划分网格, 根据文献[9]并结合实际冷却系统的设计特点, 计算网格采用六面体网格, 网格尺寸为2 mm, 为改善模型的收敛性, 对流体进出口进行了适当的延长。两种模型的网格分别如图7和图8所示。模型的总网格数量分别为936 310和1 018 135。

图8 增加测量模块后冷却系统网格 

2.4 计算模型的边界条件和物性参数

本文中针对该六缸柴油机的额定工况进行计算, 入口采用质量流量入口边界条件, 总流量为6.67 kg/s, 入口水温为353 K, 出口采用自由流出边界条件, 其余边界默认为壁面。通过Starccm+的压降模型将式 (1) 编入算例测量段中建立的inerior面, 达到模拟真实涡轮流量计叶轮压损的目的。*后得到原机和增加测量模块后各缸总流量和各上水孔流量, 并对比前后差异, 分析出测量模块对柴油机缸体上水孔流量测量的影响。

3 计算模型的试验校验

为了保证计算模型的准确性, 本文中使用柴油机上水孔流量测量试验台测得的上水孔流量试验数据 (见图5) , 对增加相应测量模块后的计算模拟结果进行校验, 计算模拟与试验结果对比见图9。由图可见, 计算模拟结果的*大相对误差为4.92%, 表明计算模拟结果具有足够的精度。

图9 试验结果与计算模拟结果比较 

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