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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(二)


测量模块对柴油机缸体上水孔流量测量的影响研究(二)

4 仿真结果与分析

4.1 对各缸流量测量的影响

将各缸上水孔流量相加便得到各缸流量, 增加测量模块前后各缸的流量值和相对误差如图10和图11所示。可以看出, 增加测量模块后, 上水孔流量的*大相对误差小于1%。从图7可以看出, 这是由于各缸进水为并联, 相互影响比较小, 即各缸流阻接近, 加上测量模块后等于在各缸上增加了同等大小的流阻, 对各缸流量分配的测量结果不会造成大的偏差。

图10 增加测量模块前后各缸流量 

图11 增加测量模块后各缸流量相对误差 

4.2 对各上水孔流量测量的影响

增加测量模块前后各上水孔流量和相对误差如图12和图13所示。可以看出, 测量模块对上水孔流量的影响很大, *大相对误差可达25.13%。原因分析如下。

图12 增加测量模块前后各上水孔流量 

图13 增加测量模块后各上水孔流量相对误差 

由4.1节中可知, 增加测量模块前后, 各缸总流量变化不大, 且各缸的上水孔变化规律相似。选择第1缸各上水孔的流量进行对比分析。为了便于分析各上水孔流量变化, 定义:

pj (j=1, 2, 3, 4) 为增加测量模块时第j上水孔流量计模型产生的水头损失, Pa;

Hj (j=1, 2, 3, 4) 为原机模型冷却水从缸体第j个上水孔到缸盖第j个上水孔时产生的水头损失, Pa;

Dj (j=1, 2, 3, 4) 为第j个涡轮流量计叶轮产生的水头损失, Pa。

第1缸各水头损失数据如表4所示。

表4 第1缸各上水孔水头损失数据表 

由表4可知, 未引入测量模块时, 柴油机的第1个上水孔的水头损失远比其他上水孔要小, 但增加测量模块后, 不仅使整个上水孔的水头损失显著增高, 而且使第1个上水孔的水头损失大于其他上水孔。

纵向分析:柴油机第1个腰形上水孔的尺寸总长×总宽为20 mm×10 mm, 圆角为5 mm, 第2, 3和4腰形上水孔尺寸总长×总宽为15 mm×10 mm, 圆角为5 mm, 而测量模块中涡轮流量计的内径为10 mm, 测量板孔径为25 mm, 使得增加测量模块后, 冷却水从上水孔流向测量模块时发生节流而产生水头损失。由伯努利方程p+1/2ρv2+ρgh=C可知, ρh一定的情况下, 水头损失越大, 压损越大, p越大, v越小, 而由质量流量M=ρvA可知, 横截面积A相同时, v越小, M越小。由于第1上水孔的水头损失明显要比第2, 3和4上水孔高, 所以流量比其他3个上水孔要小。

横向分析 (和原机比较) :由表4可知, 相比与原机, 第1上水孔水头损失增加的幅度明显远比其他3个上水孔高, 导致其流量比原机小, 由4.1节中的分析可知, 引入测量模块后第1缸流量基本和原机一样, 且第2, 3和4上水孔结构相同, 所以第2, 3和4上水孔的流量均比原机大。

其他各缸的上水孔流量变化规律和第1缸相似, 水头损失和各上水孔流量关系如图14所示。

图14 水头损失和各上水孔流量关系 

5 测量模块的改进

由以上分析可知, 要减小测量模块对上水孔流量的影响, 即减小测量结果*大相对误差优良值|Δmax|, 须减小测量模块产生的压力损失。测量模块产生的压力损失主要由节流产生的局部压力损失hj和势能增加产生的压力损失hEp组成, 是由涡轮流量计和测量板产生的。

5.1 |Δmax|与涡轮流量计的影响关系

max|和涡轮流量计的长度L和内径有关, 由于涡轮流量计内径和测量板出水孔径要保持相同 (统一用d表示) , 所以与测量板出水孔径合起来分析, 此处主要研究不同内径下涡轮流量计长度L的影响。根据上水孔尺寸, 涡轮流量计内径d分别取10, 15和20 mm, L分别取推荐的尺寸55, 75和100 mm。然后进行建模计算, 计算时须在叶轮面上添加流量压损曲线, 从式 (2) 中可以看出, 叶轮的压力损失与通过流量计的质量流量的平方成正比, 与流量计管道内径的4次方成反比。相同流量情况下, 虽然d=15 mm和d=20 mm的涡轮流量计中叶轮的压力损失系数有所差别, 但明显可以看出, 影响叶轮压力损失的主要因素是流量计的内径, 为了便于分析, 认为d=15 mm和d=20 mm中叶轮的压力损失系数和d=10 mm相同, 这样就从理论上得到了d=15 mm和d=20 mm中叶轮的流量-压损表达式。

d=15 mm:

Δp=2254.7qv2 +234.07qv+29.524 (7)

d=20 mm:

Δp=713.39qv2 +74.062qv+9.3415 (8)

计算结果如图15所示。

图15 不同内径d下|Δmax|与涡轮流量计长度L的关系 

由图可以看出, 对于不同内径d, |Δmax|随着涡轮流量计L的增加变化都很小, 这是由于L的增加只引起hEp增加, 而这部分压损占总压损的比例很小, 所以L的增加对|Δmax|的影响很小。

5.2 |Δmax|与测量板的影响关系

max|与测量板的水孔结构、入水孔径D、出水孔径d和水孔深度h 4个因素有关。试验中为了便于安装, 入水孔径D是根据上水孔尺寸来确定的, 故本文中对入水孔径D的影响不作研究, 由于涡轮流量计内径与测量板出水孔径要保持相同, 所以只须对测量板出水孔径分析即可。

5.2.1 测量板水孔结构对|Δmax|的影响

由5.1节中可知, L对|Δmax|的影响很小, 在研究测量板水孔结构的影响时, 涡轮流量计长度L可以选取55 mm, 水孔结构设计为常见的4种结构, 分别为球面渐缩、锥面渐缩、球面渐扩和圆柱面, 如图16所示, 其中d1h1分别与涡轮流量计螺纹外径和长度相同, 出水孔长度设计为5 mm。由图可以看出, 随着出水孔径d从10增加20 mm, 4种水孔结构的差异逐渐减小, |Δmax|趋于一致, d=10 mm时, 差异*大。故在研究测量板水孔结构对|Δmax|的影响时, 出水孔径d取10 mm即可, 水孔深度h选取20, 35和50 mm (h=5 mm时结构1和结构3出现干涉故舍去) 。

图16 测量板的水孔结构  

分别对上述测量板进行建模计算, 结果如图17所示。

图17 不同水孔深度h下|Δmax|与水孔结构的关系 

由图可以看出, 对于不同水孔深度h, |Δmax|与水孔结构的变化趋势一致, 都表现为结构1>结构4>结构2>结构3。这是由于水孔结构造成的压力损失主要以局部压力损失hj为主, 分析时水孔深度h取50 mm, 上水孔取第1缸第1个上水孔, 计算公式为

hj=ξv122g (9)

式中:ξ为局部阻力系数;v1为入口处流速, 如图18所示。

图18 局部损失计算图 

相同入口流速v1下, 各水孔结构的ξ计算如下。

结构1:

ξ1= (1-A1/A22+K1 (A1/A22=4.3468

结构2:

ξ2= (1-A1/A22+K2 (A1/A32=0.9963

结构4:

ξ4= (1-A1/A22+0.5 (1-A3/A2) (A1/A32=

2.5752

式中K1K2分别为结构1和结构2阻力系数, K1A3/A2有关, K2A3/A2和收缩角α有关, 可通过查表获得, K1K2分别为29.8和0.114 5。

由于结构3没有相关计算公式, 可通过横截面变化定性分析, 结构1的横截面变化比结构2大, 导致局部损失系数比结构2大, 结构3的横截面变化比结构2小, 可类推出局部损失系数比结构2小。4种结构的局部损失系数大小为结构1>结构4>结构2>结构3, 由于局部阻力系数越大, 局部损失越大, |Δmax|也就越大。

5.2.2 测量板水孔深度h和出水孔径d对|Δmax|的影响

由图19可知, 不同水孔结构下, |Δmax|与水孔深度h的变化趋势一致, 所以在研究|Δmax|与测量板水孔深度h和出水孔径d的关系时, 测量板水孔结构可以选结构4, 涡轮流量计长度L取55 mm。水孔深度h分别取5, 20, 35, 50, 90, 130和170 mm, 出水孔径d分别取10, 12, 13, 14, 15, 16, 18和20 mm, 计算时涡轮流量计中叶轮的流量-压损曲线和5.1节中处理一样, 计算结果如图20和图21所示。由于d=15, 16, 18和20 mm在h=50 mm时已出现拐点, 图20中不再增加h>50 mm的点。

图19 不同水孔结构下|Δmax|与测 量板水孔深度h的关系 

图20 |Δmax|与测量板水孔深度h的关系图 

图21 |Δmax|与出水孔径d的关系图 

由图20可知, 对于不同的出水孔径d, |Δmax|随着水孔深度h的增加整体上都表现为先减小后增大, 存在*小值。以d=10 mm为例分析, 刚开始h较小, hEp较小, 总压力损失以hj为主, 随着h的增加, 测量板的稳流作用明显增强, hj迅速减小, 虽然hEp有所增加, 但增加的幅度要小于hj减小的幅度, 总压力损失减小, |Δmax|减小。当h继续增加时, 测量板的稳流作用变化很小, 导致hj减小的幅度变小, 而hEp继续增大, 当hj减小的幅度等于hEp增加的幅度时, 总压力损失*小, |Δmax|*小。随着h的继续增加, hEp增加的幅度大于hj减小的幅度, 总压力损失增加, |Δmax|增大。其余内径d的变化规律和d=10 mm类似, 只是hEp随着d的增加而增大, 从而使得取得*小值的水孔深度h减小。

由图21可知, 对于不同的水孔深度h, |Δmax|随着出水孔径d的增加整体上也都表现为先降低后增加, d=15 mm时, |Δmax|都*小。这与|Δmax|随着水孔深度h的变化规律一致, 只是h的增加对|Δmax|取得*小值的出水孔径d基本无影响。

综上分析可知, 存在水孔深度h和出水孔径d使得|Δmax|*小, hd的具体数值与上水孔结构、尺寸和测量板孔径有关。

6 测量模块的改进效果验证

根据上述分析, |Δmax|与测量板水孔结构、水孔深度h和出水孔径d有关, 与涡轮流量计长度L关系很小。虽然测量板水孔结构2和结构3的|Δmax|比结构4小, 但相比通过改变水孔深度h和出水孔径d来降低|Δmax|的效果要低, 且结构2和结构3的加工成本明显比结构4高。综合考虑, *佳的测量板模块是水孔深度h为20 mm、出水孔径d为15 mm及水孔结构为结构4的测量板和内径d为15 mm和长度L为55 mm的涡轮流量计。原机未装测量模块、加装原测量模块和加装*佳测量模块的流速图如图22~图24所示。可以看出流速分布与原机很接近, 相比增加原测量模块后的流速分布有了很大的改进。加装*佳测量模块后重新进行CFD仿真, 结果如图25和图26所示。由图25明显可见, 加装*佳测量模块后各上水孔的流量与原机很接近;而由图26可见, 换装*佳测量模块后各上水孔流量的相对误差显著降低, *大相对误差由25.13%降至3.6%。

图22 原机流速图 

图23 增加原测量模块后流速图 

图24 增加*佳测量模块后流速图 

图25 原机、加装原测量模块和加装*佳 测量模块后各上水孔流量对比 

图26 加装原测量模块和加装*佳测量模 块后各上水孔流量相对误差对比 

7 结论

(1) 测试过程中, 使用LWGY-10涡轮流量计和ϕ25 mm×5 mm测量板组成的测量模块对上水孔流量进行测量, 发现测量模块对各缸流量影响较小, *大相对误差小于1%, 但对各上水孔流量的影响较大, *大相对误差为25.13%。

(2) 分析了|Δmax|与测量板水孔结构、水孔深度h、出水孔径d (也指涡轮流量计内径) 和长度L的关系, 得出|Δmax|与涡轮流量计长度L关系很小, 与测量板水孔结构有关, 4种测量板水孔结构的|Δmax|大小依次为球面渐缩>圆柱面>锥面渐缩>球面渐扩。随着测量板水孔深度h和出水孔径d的增加, |Δmax|都表现为先减小后增大, 存在*小值, 相应hd的具体数值与上水孔尺寸和测量板孔径有关。

(3) 通过综合考虑得到了*佳测量模块, 即水孔深度h为20 mm、出水孔径d为15 mm及圆柱面水孔结构的测量板和内径d为15 mm和长度L为55 mm的涡轮流量计, 增加*佳测量模块后的|Δmax|只有3.60%, 相比原测量模块的25.13%明显减小, 流速分布与原机很接近, 较增加原测量模块后的流速分布有了很大的改进。

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