机油散热器的作用、流场分析及阻力模拟试验

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机油散热器的作用、流场分析及阻力模拟试验

摘要：针对某柴油机机油散热器水道阻力较大，影响到柴油发电机工作性能的问题，采用三维计算机流体动力学(CFD)软件对机油散热器进行流场分析及阻力模拟。根据模拟结果，找到流体阻力大的原因，对模型进行了优化设计。对优化后的模型进行再次模拟，以确定最优方案，并对优化后样品进行阻力测试，以验证仿真结果的准确性，为后续机油散热器的设计提供数据支持。

一、机油散热器分类

       为了保持机油在适宜的温度范围内工作，柴油机润滑油路一般都装有机油散热装置，用来对机油进行强制冷却。机油散热装置可分为两类：以空气为冷却介质的机油散热器和以水为冷却介质的机油散热器。

1．水冷式机油散热器

      水冷式机油散热器由外壳、前盖、后盖和冷却器芯子组成，如图1所示。冷却器芯子上有许多铜管和散热片，以增大散热面积。

      机油从外壳上的进油口进入，在铜管外面流动，从出油口流出。冷却水则由后盖上流入，经铜管内从前盖上流出。在后盖的下部有一个放水开关，专供放尽冷却器中的冷却水，冬季放水时也应将此开关打开放水。

      水冷式机油散热器的工作原理是：当柴油发电机起动后，冷却水的温度上升较快，而这时机油的温度较低，因此，在机油冷却水的加热下，油温迅速升高，黏度下降，以适应工作需要。柴油发电机转入正常工作后，当机油温度高于冷却水温度时，机油散热器便恢复其作用，用水来冷却机油，使机油温度保持在正常范围内。

2．风冷式机油散热器

      风冷式机油散热器安装在冷却系统散热器的前面（或后面），它利用风扇煽动的空气来冷却。其构造如图2所示。它由扁铜管、散热片、框架、进油管和出油管组成。柴油发电机工作时，从机油泵压送来的机油经机油滤清器进入机油散热器，被空气冷却后，经出油管流入主油道去润滑各运动机件。

图1 柴油机水冷式机油散热器

图2  风冷式机油冷却器结构图

二、机油冷却器研究

1、研究的目的

      润滑油路是决定柴油机使用寿命的关键因素之一。润滑油路除了润滑功能外，还可以确保柴油发电机部件的冷却和防蚀。机油散热器是保证润滑油路正常工作的关键因素，机油散热器通常由柴油发电机冷却液在其中进行冷却。冷却器必须合理设计，以便在最高冷却液温度时，也不会出现过高的润滑温度。同时，机油散热器需要降低其介质流动的阻力，以便降低其对柴油发电机功率的损耗。

      这些对机油散热器的CFD仿真研究和试验研究都为本文提供了有益的参考。本文以某机油散热器出现高水阻为研究对象，通过三维CFD数值模拟获得其流阻特性，找到引起高水阻的原因。研究人员针对具体问题设计改进方案，再通过三维CFD数值模拟验证改进方案的可行性。后期，研究人员对该机油散热器样件进行了台架试验，获得其流阻特性的试验数据，验证了仿真结果的准确性。

2、几何模型仿真

      研究人员将机油散热器水道内腔三维模型导入ANSYS MESHING程序进行网格划分。仿真采用三角形网格类型来初步划分面网格，选择网格尺寸为0.5mm。网格划分的高级尺寸控制函数采用了基于临近单元和曲率的方法，同时设置相关度为高度相关，并对网格进行高度光顺和缓慢过度，以保证网格质量。模型网格共有19218935个单元。

      仿真采用三维稳态流动计算。介质流动为不可压缩定常流动。湍流模型选择可实现k-e模型，壁面函数选择标准壁面函数。入口流速为2.425m/s，出口边界条件采用压力出口。入口速度为均匀流，方向垂直于入口截面。

三、试验与仿真分析

1、台架试验

      该试验测试系统由进水供给系统和进油供给系统两个部分组成。进水供给系统通过电动控制阀对进水流量进行控制，进水流量为50~500L/min，水流进口温度为35~105℃，稳定度控制为±1%，测量精度为±0.35%，最大水流进口压力为280kPa。进油供给系统通过电动控制阀对进油流量进行控制，进油流量为40~250L/min，润滑油进口温度为35~120℃，稳定度控制为±0.5℃，测量精度控制为±0.01℃，最大入口压力为600kPa。

      为了验证仿真方法的合理性和有效性，研究人员按照不同工况对机油散热器样件进行了台架试验。研究人员采用高精度试验台测量进水流量和阻力，为仿真模拟提供依据。研究人员按照进水流量范围60~140L/min和流速范围1.039~2.425m/s共设置了5种工况，如表1所示。

表1    不同进水流量和入口流速的工况设定

项目 进水流量/(L·min-1) 入口流速/(m·s-1) 工况1 60 1.039 工况2 80 1.385 工况3 100 1.732 工况4 120 2.078 工况5 140 2.425

2、仿真结果验证

      根据水侧压降的仿真计算结果与试验结果对比曲线，随着水流量增加，阻力也逐渐增大。仿真结果整体数据相对测试结果偏小，这是由于研究人员对仿真模型进行了简化。仿真结果与试验变化趋势总体一致，最大压降误差为9.07%，与试验结果比较吻合，从而证明了仿真模型的有效性。

3、水路改进前的仿真结果

       水道右侧为水流进口，进水口的压力为41.43kPa。水道左侧低压处为出水口。从图8可见，从水流进口到水流出口处，压力呈现出明显的三级阶梯递减，而且高压区集中在水道左侧。

      从水道整体流场分布图可见，水流进入水道后即分为2条支路流动，芯子处的水流量为46.5L/min，旁通处的水流量为93.5L/min。在水流出口处有明显的漩涡。从图3可以看出漩涡的速度梯度，因为漩涡的原因，水流阻力增大了。在芯子出水口处有2股水流的冲击区，从图4可以看到冲击的范围及水流对冲后的流向。由于水流冲击的影响，芯子出口处出现了明显的滞留区。所以，在水道优化设计时，研究人员需要考虑优化整体流场结构，增加分隔板进行导流来避免上述问题。

4、水路改进后仿真结果

      水道优化后过芯子的水流量为58.5L/min，旁通水流量为81.2L/min。在经过优化后，芯子获得了更多水流量，水流量增加了37.5%，更利于增加散热量。水从芯子出口出来后直接引流到水道出口，避免了两股水流对冲。局部还存在有漩涡，但较优化前已有明显改善，而且大部分冷却水直接导流到了出口。进口压力为27.58kPa，水流阻力相对优化前降低了50.21%。

5、水路改进后的仿真结果与试验结果比较

      根据水路改进后水侧压降的仿真计算结果与试验结果对比曲线。仿真结果与试验结果非常吻合，最大压降误差为7.57%。随着水流量的增加，仿真结果与试验变化趋势一致，从而证明了仿真模型的有效性。

图3  机油冷却器漩涡区流场分布图

图4  机油冷却器冲击区流场分布图

总结：

      研究人员采用三维CFD模拟仿真，进行机油散热器水道流场和压力场分布的计算。通过试验验证，将各工况下的仿真结果与实测结果进行比较，两者吻合良好。研究人员利用仿真软件模拟冷却器内部水道流动情况，可以直观看到芯子水路与旁通水路对冲导致动量损失影响了冷却液流动，压降增大。根据仿真结果，研究人员对水路进行改进，在芯子水路与旁通水路间设置分隔板对介质进行引流。该优化方案可以有效降低机油散热器水阻，满足柴油发电机组整机匹配的要求。

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