聯(lián)體泵-馬達(dá)殼體內(nèi)部流動(dòng)傳熱特性

王 娟, 王 濤, 袁懷杰, 孫成珍, 趙 亮

(1.西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710049；2.中國(guó)北方車輛研究所, 北京 100072)

引言

聯(lián)體泵-馬達(dá)因其功率密度大、工作參數(shù)高、泵排量及馬達(dá)側(cè)輸出功率調(diào)節(jié)便捷等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于閉式液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。圖1為泵-馬達(dá)殼體傳熱分析示意圖，泵-馬達(dá)在工作過(guò)程中，隨著運(yùn)行參數(shù)的升高，摩擦副內(nèi)黏性摩擦加劇，泄漏到殼體內(nèi)油液溫度上升，另外轉(zhuǎn)動(dòng)部件剛性摩擦的加劇也會(huì)使得殼體內(nèi)部生熱量大幅度增加。然而，由于泵-馬達(dá)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，造成殼體內(nèi)流場(chǎng)中存在流動(dòng)死區(qū)、低溫油液分布不均、冷熱油液摻混不充分、冷卻不完全等特點(diǎn)，致使殼體、轉(zhuǎn)動(dòng)部件等表面形成局部“熱點(diǎn)”，造成部件的變形及損壞，嚴(yán)重降低泵-馬達(dá)工作可靠性和壽命。

圖1 泵-馬達(dá)殼體傳熱分析示意圖

聯(lián)體泵-馬達(dá)流場(chǎng)熱量輸入主要來(lái)自于各個(gè)摩擦副油液泄漏生熱、機(jī)械摩擦生熱及油液攪拌生熱[1-2]。柱塞泵系統(tǒng)中，摩擦副油液泄漏生熱主要發(fā)生在滑靴副、柱塞副及配流副的油膜間隙處，各間隙處由于油液剪切作用將產(chǎn)生黏性摩擦生熱，造成油膜溫度升高。在高壓作用下摩擦副產(chǎn)生的彈性形變影響油膜間隙厚度[3-4]，離心力引起的傾斜力矩導(dǎo)致滑靴副及配流副形成楔形油膜[5]，而油膜溫度強(qiáng)烈依賴于油膜厚度；隨著膜厚度的減小，由于膜間隙中黏性摩擦的增加，膜溫升高[6-7]。針對(duì)油膜處的“熱點(diǎn)”產(chǎn)生問(wèn)題國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量研究。

TANG等[8]分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬的方法研究了不同工況下柱塞泵摩擦副油膜的溫升變化規(guī)律，結(jié)果表明，恒壓高速工況下滑靴內(nèi)外半徑比及恒轉(zhuǎn)速高壓工況下阻尼管長(zhǎng)度直徑比都應(yīng)盡量取較小值，以降低滑靴副油膜溫度和防止滑靴底面油膜溫度過(guò)高。文獻(xiàn)[9-11]分析了滑靴副的油膜熱力問(wèn)題，指出轉(zhuǎn)速增大不僅會(huì)增大剪切摩擦生熱，還會(huì)增大壓差流損失。KAZAMA等[12]分析了不同工作條件油膜溫升、間隙形狀和功率損耗的影響因素，結(jié)果表明壓緊力和旋轉(zhuǎn)速度是影響滑靴油膜溫升的主要原因。李晶等[13]建立了配流副楔形油膜的熱力學(xué)模型，分析了不同工作壓力、轉(zhuǎn)速及油膜厚度下配流副油膜的溫度特性，研究結(jié)果表明配流副油膜溫度場(chǎng)呈不均勻分布，外密封帶的油膜溫度沿半徑方向遞增，隨工作壓力的增大而顯著升高；內(nèi)密封帶的油膜溫度沿半徑方向遞減。陳革新等[14]以EPU為研究對(duì)象，建立定量泵整體熱力學(xué)模型，研究了低轉(zhuǎn)速不同扭矩下液壓泵各泄漏的發(fā)熱功率，結(jié)果表明，滑靴副和配流副是定量泵的主要發(fā)熱元件。

柱塞泵攪油生熱主要來(lái)自于柱塞、缸體等部件旋轉(zhuǎn)攪拌油液產(chǎn)生的黏性摩擦熱，研究表明軸向柱塞泵在低壓工作下攪油生熱量大約是總生熱量的20%[15]，且隨著轉(zhuǎn)速的提高，比例逐漸增大。浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[16-18]采用控制容積法對(duì)殼體內(nèi)傳熱進(jìn)行分析，通過(guò)理論、仿真及實(shí)驗(yàn)研究分析缸體和柱塞對(duì)攪拌損失的影響，指出充油情況下柱塞與滑靴攪油產(chǎn)生的能量損失是攪拌損失的主要因素。李亞等[19]針對(duì)不同排量的柱塞進(jìn)行了殼體溫度空載試驗(yàn)研究，結(jié)果表明柱塞泵殼體中部溫度最高。楊毅博等[20]利用MATLAB對(duì)航空液壓泵殼體不同部位的溫度變化進(jìn)行了仿真計(jì)算，研究結(jié)果表明客機(jī)在爬升和巡航剖面下，液壓泵溫度將超過(guò)正常工作范圍。陳金華等[21]在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵殼體回油腔內(nèi)設(shè)置了主動(dòng)抽油泵，結(jié)果表明這一方法可將液壓泵殼體回油相對(duì)入口的溫升控制在6 ℃以內(nèi)，甚至低于泵出口溫度。LIU等[22]通過(guò)提出一種WHPLO模型，來(lái)預(yù)測(cè)油溫的變化，得到了油溫隨時(shí)間的變化曲線，并分析了產(chǎn)熱和散熱分布，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試偏差小于3 ℃。SHANG等[23]提出了一種出口及殼體溫度預(yù)測(cè)模型，該模型基于給定的流體性質(zhì)及進(jìn)口溫度可預(yù)測(cè)出口及殼體溫度，與測(cè)量值相比殼體溫度預(yù)測(cè)誤差為±6.4 ℃。對(duì)于聯(lián)體泵-馬達(dá)殼體內(nèi)流場(chǎng)，僅有少數(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)流場(chǎng)溫度升高機(jī)理、影響因素分析以及平均溫度預(yù)測(cè)等問(wèn)題開(kāi)展了研究，尚未有研究涉及流場(chǎng)熱點(diǎn)位置的確定、降低熱點(diǎn)區(qū)域溫度的有效方法以及流場(chǎng)冷卻沖洗方案設(shè)計(jì)等問(wèn)題，但這些問(wèn)題又是提高聯(lián)體泵-馬達(dá)可靠性和壽命的關(guān)鍵，具有重要的研究?jī)r(jià)值和意義。

針對(duì)柱塞泵內(nèi)流場(chǎng)特性研究，大多采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行，流場(chǎng)內(nèi)部部件運(yùn)動(dòng)的描述及模型的選擇是模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵點(diǎn)。目前研究均采用滑移網(wǎng)格技術(shù)解決缸體與配流盤之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)柱塞沿軸線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)[24-25]。流體運(yùn)動(dòng)依靠湍流模型求解計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型是目前應(yīng)用較廣泛的湍流模型。熊英華等[26]指出采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計(jì)算時(shí)會(huì)對(duì)流場(chǎng)中的湍流黏性系數(shù)過(guò)度預(yù)測(cè)，很難精確計(jì)算當(dāng)?shù)販u旋效應(yīng)對(duì)湍流流動(dòng)的貢獻(xiàn)，因此對(duì)機(jī)械攪拌流體模擬時(shí)必須對(duì)標(biāo)準(zhǔn)湍流模型修正，改進(jìn)的湍流模型包括RNGk-ε和Realizablek-ε模型。RNGk-ε方程考慮到了湍流漩渦的影響，由于增加了額外的方程，需要更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間；Realizablek-ε方程考慮到湍流黏性的影響并修正了湍流耗散率方程，對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、二次流動(dòng)及具有強(qiáng)逆壓梯度條件下的邊界層流動(dòng)等流動(dòng)問(wèn)題計(jì)算精度更高[27]。

本研究采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)精確描述聯(lián)體泵-馬達(dá)殼體內(nèi)各部件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立了殼體內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模型，選擇Realizablek-ε湍流模型，對(duì)聯(lián)體泵-馬達(dá)零排量工況下殼體內(nèi)部流場(chǎng)特性展開(kāi)模擬研究，通過(guò)分析流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)、油液體積分?jǐn)?shù)分布以及溫度分布等流動(dòng)傳熱特性，揭示流場(chǎng)高溫分布、熱點(diǎn)位置及其形成機(jī)理，并分析冷卻沖洗流量、沖洗位置、流場(chǎng)出口布置等對(duì)流場(chǎng)沖洗冷卻效果的影響。

1 模型及模擬參數(shù)設(shè)置

1.1 物理模型

聯(lián)體泵-馬達(dá)殼體內(nèi)部流場(chǎng)是由泵-馬達(dá)殼體、柱塞、缸體、斜盤及其他部件構(gòu)成的腔體。如圖2a所示，由于聯(lián)體泵-馬達(dá)結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部零部件復(fù)雜，殼體內(nèi)部形成大量不規(guī)則狹小間隙等微小流場(chǎng)結(jié)構(gòu)且流場(chǎng)不封閉，導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)布爾運(yùn)算等方法直接提取殼體內(nèi)部流場(chǎng)，需要對(duì)每個(gè)零部件表面逐個(gè)抽取并修整縫合，最終組合形成封閉的殼體內(nèi)部流場(chǎng)的流體域模型，如圖2b所示。根據(jù)聯(lián)體泵-馬達(dá)各運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)形式的不同，將殼體內(nèi)部流場(chǎng)流體域劃分為3個(gè)計(jì)算域：傳動(dòng)軸及柱塞轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域、尾軸承區(qū)域、殼體區(qū)域，方便各計(jì)算域網(wǎng)格劃分和計(jì)算設(shè)置。

圖2 聯(lián)體泵-馬達(dá)殼體內(nèi)流場(chǎng)模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

控制方程主要包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律，具體形式如下：

1)連續(xù)方程

(1)

式中，ρm——流體混合密度

vm——流體速度矢量

2)動(dòng)量方程

(2)

式中，p——壓力

n——相數(shù)

F——體積力

μm——混合密度

αk，ρk，vdrk——第k相的體積分?jǐn)?shù)、密度和漂移速度

3)能量方程

=▽·(keff▽T)+SE

(3)

4)Realizablek-ε湍流模型

k方程為：

(4)

式中,ui——時(shí)均速度

xi,xj——張量坐標(biāo)

σk=1.0——k的湍流Parndtl數(shù)

Gk——平均梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)

μt——湍動(dòng)黏度

(5)

式中，Eij,Ejk,Ekj——應(yīng)變速率張量

ε方程為：

(6)

式中，σε=1.2，為ε的湍流Parndtl數(shù)；

1.3 網(wǎng)格劃分

柱塞轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流場(chǎng)紊亂，轉(zhuǎn)動(dòng)部件與殼體間隙小，流場(chǎng)速度梯度大，邊界層劃分難度高。為使模擬更精準(zhǔn)，劃分時(shí)需根據(jù)壁面函數(shù)要求逐步調(diào)整。另外不同區(qū)域間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)于泵側(cè)柱塞及泵側(cè)尾軸承轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域需采用動(dòng)網(wǎng)格方法描述部件運(yùn)動(dòng)，網(wǎng)格質(zhì)量要求高，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分；對(duì)于非運(yùn)動(dòng)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，各進(jìn)口、球碗等其他溫度梯度變化較大區(qū)域加密處理以保證計(jì)算精度。針對(duì)較差質(zhì)量網(wǎng)格單元采用手動(dòng)逐個(gè)調(diào)整方法以保證網(wǎng)格正交性及扭曲度，最終保證轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格正交性為0.5，非轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域網(wǎng)格正交性為0.35。經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)化驗(yàn)證后，選用最佳網(wǎng)格數(shù)量為455萬(wàn)，如圖3所示。

圖3 殼體內(nèi)流場(chǎng)網(wǎng)格示意圖

1.4 邊界條件設(shè)置

對(duì)聯(lián)體泵-馬達(dá)殼體內(nèi)流場(chǎng)開(kāi)展流動(dòng)傳熱數(shù)值模擬時(shí)，采用動(dòng)網(wǎng)格方法對(duì)部件運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述，動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置采用彈簧光順?lè)椒ǎ瑒?dòng)區(qū)域?yàn)閯傮w運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)參數(shù)利用UDF控制；采用Realizablek-ε湍流模型來(lái)描述湍流運(yùn)動(dòng)，該模型考慮到湍流黏性的影響并修正了湍流耗散率方程，對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、二次流動(dòng)等流動(dòng)問(wèn)題計(jì)算精度更高；采用Mixture多相流模型描述油氣兩相流動(dòng)，準(zhǔn)確描述油氣高速混合，且計(jì)算速度更快。采用接近平衡態(tài)時(shí)的溫度和液位作為初始條件；各入口均采用速度入口，根據(jù)泄漏量計(jì)算入口速度，入口溫度設(shè)為定值；出口采用壓力出口，出口背壓均為0 MPa；軸承出口壓力設(shè)置根據(jù)出口壓力與轉(zhuǎn)速、流量關(guān)系，通過(guò)自編程序獲取軸承內(nèi)端面壓力值和出口流量值來(lái)迭代設(shè)置壓力出口；球碗壁面生熱功率為90 W，設(shè)為恒熱流密度邊界，其他各壁面均為無(wú)滑移絕熱壁面。邊界參數(shù)均以實(shí)驗(yàn)測(cè)試及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為取值依據(jù)，具體參數(shù)如表1、表2所示，邊界條件如圖4所示。

表1 主要參數(shù)

表2 邊界條件參數(shù)

圖4 殼體內(nèi)部流場(chǎng)邊界位置

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬方法和結(jié)果的正確與合理性，設(shè)計(jì)并搭建了泵-馬達(dá)實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括供油系統(tǒng)和核心實(shí)驗(yàn)段的搭建。供油系統(tǒng)如圖5所示，主要由注熱油管路、注冷油管路、回油管路、油箱聯(lián)通管路等4個(gè)主要管路以及熱油箱、壓力油箱等組成。通過(guò)PID溫控儀控制熱油箱內(nèi)的加熱棒及水冷機(jī)控制換熱器的換熱量實(shí)現(xiàn)油液溫度的控制；通過(guò)變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以及調(diào)節(jié)旁路閥開(kāi)度實(shí)現(xiàn)油液流量的控制。

1.電熱棒 2.換熱器 3.齒輪流量計(jì) 4.水冷機(jī) 5.溢流閥 6.回油泵 7.調(diào)節(jié)閥 8.熱像儀 9.電動(dòng)機(jī)

核心實(shí)驗(yàn)段如圖6所示，基于真實(shí)泵-馬達(dá)樣機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并加工了一種便于測(cè)試泵-馬達(dá)殼體內(nèi)流場(chǎng)油液溫度及流場(chǎng)分布的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。并做了以下假設(shè)：①增大各摩擦副間隙，實(shí)現(xiàn)低壓條件下各摩擦副油液泄漏；②泵側(cè)與馬達(dá)側(cè)斜盤角度均調(diào)整為0°；③泵側(cè)、馬達(dá)側(cè)柱塞及斜盤呈一體結(jié)構(gòu)。核心實(shí)驗(yàn)段主要由4部分組成，分別為泵-馬達(dá)樣機(jī)、聯(lián)軸器、變頻電機(jī)與安裝底座。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用供油系統(tǒng)為泵-馬達(dá)實(shí)驗(yàn)段提供溫度、壓力、流量可調(diào)的兩路油液：一路為高溫油液，從中間聯(lián)體塊注入，從各摩擦副間隙泄漏，模擬泵-馬達(dá)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中摩擦副泄漏；一路為低溫油液，從泵側(cè)與馬達(dá)側(cè)殼體頂部注入，模擬實(shí)際過(guò)程中的冷卻沖洗油液。

圖6 核心實(shí)驗(yàn)段實(shí)物圖

驗(yàn)證工況如表3所示，為對(duì)比各工況的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，定義一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)K作為對(duì)比參數(shù)。K值為回油溫度與注入冷油溫度差值與熱油溫度與注入冷油溫度差值的比值，即:

表3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比工況表

(7)

式中,T1——注入熱油溫度

T2——注入冷油溫度

T3——回油溫度

K值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，可以看出實(shí)驗(yàn)和模擬的K值誤差都在10%以內(nèi)，驗(yàn)證了殼體內(nèi)流動(dòng)傳熱特性模擬方法及結(jié)果的合理性。

表4 實(shí)驗(yàn)與模擬K值對(duì)比

3 模擬結(jié)果分析

3.1 馬達(dá)殼體內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)傳熱特性

為揭示泵-馬達(dá)殼體內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)傳熱特性，本研究主要從流場(chǎng)溫度分布、油液體積分?jǐn)?shù)分布及流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)等方面展開(kāi)分析。如圖7所示，圖中X為水平方向，Y為豎直方向，Z為軸向，泵-馬達(dá)殼體內(nèi)流場(chǎng)的溫度分布呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：泵側(cè)流場(chǎng)溫度整體高于馬達(dá)側(cè)，泵側(cè)流場(chǎng)溫度沿周向均勻分布，馬達(dá)側(cè)呈現(xiàn)上高下低分層分布，尾軸承區(qū)域形成低溫區(qū)域，高溫區(qū)域出現(xiàn)在泵側(cè)球碗附近流場(chǎng)。

圖7 流場(chǎng)溫度分布

從殼體內(nèi)流場(chǎng)熱量來(lái)源進(jìn)行分析，流場(chǎng)熱量主要來(lái)源于各摩擦副泄漏生熱、內(nèi)部旋轉(zhuǎn)部件攪動(dòng)殼體內(nèi)油液引起的攪拌生熱及機(jī)械摩擦生熱。當(dāng)泵側(cè)斜盤傾角為0°時(shí)，僅泵側(cè)部件運(yùn)動(dòng)，柱塞及缸體攪拌油液生熱使泵側(cè)流場(chǎng)溫度升高，同時(shí)泵側(cè)球碗壁面由于機(jī)械摩擦產(chǎn)生熱量進(jìn)入流場(chǎng)，進(jìn)一步使得泵側(cè)流場(chǎng)溫度升高。

從流體單元體內(nèi)油液體積占比分布，即流場(chǎng)油液體積分?jǐn)?shù)分布角度進(jìn)行分析，如圖8所示，泵-馬達(dá)殼體內(nèi)部流場(chǎng)的油液體積分?jǐn)?shù)分布也呈現(xiàn)出與溫度分布相似的特點(diǎn)：泵側(cè)流場(chǎng)油液體積分?jǐn)?shù)整體低于馬達(dá)側(cè)，泵側(cè)流場(chǎng)油液體積分?jǐn)?shù)沿周向均勻分布，馬達(dá)側(cè)呈現(xiàn)上低下高分層分布，尾軸承區(qū)域形成油液聚集區(qū)。這是由于流場(chǎng)中的油液主要為低溫沖洗油液，油液體積分?jǐn)?shù)越大的區(qū)域冷卻效果越好，溫度就越低，流場(chǎng)油液體積分?jǐn)?shù)分布與流場(chǎng)溫度分布為負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

圖8 泵-馬達(dá)流場(chǎng)X=0截面油液分布

從流場(chǎng)流線及渦結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行分析，如圖9所示，從泵側(cè)流線圖可以看出，在柱塞和主軸之間區(qū)域、缸體與殼體之間區(qū)域以及尾部軸承區(qū)域形成了大量的渦。從尾軸承進(jìn)入流場(chǎng)的低溫油液在尾軸承附近聚集，形成低溫區(qū)域；柱塞和主軸之間區(qū)域、缸體與殼體之間區(qū)域的渦則阻礙了球碗附近流場(chǎng)的對(duì)流換熱，球碗壁面附近冷卻效果變差，使得球碗附近溫度升高。

圖9 泵側(cè)流場(chǎng)X=0截面流線圖

整個(gè)流場(chǎng)中的最高溫度即熱點(diǎn)出現(xiàn)在泵側(cè)球碗壁面附近，泵側(cè)球碗作為主要考慮的摩擦生熱部件，其產(chǎn)生的熱量若沒(méi)有及時(shí)耗散極易造成流場(chǎng)及球碗表面局部高溫。從圖10a中可以看出，球碗高溫表面主要分布在±90°附近，從圖10b可以看出，這些位置的油液體積分?jǐn)?shù)也較少。由于回流作用，球碗附近空氣體積分?jǐn)?shù)升高；在柱塞及缸體等旋轉(zhuǎn)部件高速旋轉(zhuǎn)下，離心力的作用使得油液遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)部件附近，油液體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步減少，導(dǎo)熱及傳熱性能較差，從而導(dǎo)致球碗摩擦產(chǎn)生的熱量無(wú)法被及時(shí)帶走，溫度快速升高，形成高溫區(qū)域。

圖10 球碗表面溫度與油液體積分?jǐn)?shù)分布

3.2 流場(chǎng)沖洗冷卻方案對(duì)比

根據(jù)泵-馬達(dá)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，流場(chǎng)溫度場(chǎng)分布的影響因素包括泵側(cè)及馬達(dá)側(cè)流場(chǎng)出口位置分布、冷卻沖洗位置分布以及沖洗流量等。為分析各個(gè)因素對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響規(guī)律并確定最優(yōu)的冷卻沖洗方案，設(shè)置了6組工況進(jìn)行對(duì)比分析，如表5所示。

表5 冷卻沖洗方案工況表

1)沖洗量的影響

流場(chǎng)溫度分布與油液體積分?jǐn)?shù)分布密切相關(guān)，沖洗量作為影響流場(chǎng)油液體積分?jǐn)?shù)的一個(gè)重要因素，改變沖洗量大小必然會(huì)改變流場(chǎng)的溫度分布。工況1、工況2、工況5在其他條件相同的情況下，沖洗量分別取值0，10，20 L/min。從圖11中可以看出，冷卻沖洗量從0 L/min增加到20 L/min，流場(chǎng)最高溫度和平均溫度都隨之降低，流場(chǎng)最高溫度降低了51.7 ℃，平均溫度降低了9.8 ℃。因?yàn)殡S著沖洗流量的增加，殼體油液體積分?jǐn)?shù)增加，高溫油液與冷油之間的對(duì)流換熱增強(qiáng)，從而帶走更多熱量。

圖11 工況1、工況2和工況5流場(chǎng)最高溫度及平均溫度

2)沖洗位置的影響

冷卻沖洗入口位置不同，高、低溫油液混合程度及對(duì)流換熱強(qiáng)度不同，從而影響流場(chǎng)熱點(diǎn)分布。工況2、工況6在其他條件相同的情況下，分別有1和2個(gè)沖洗入口，且工況6在泵側(cè)球碗正上方的殼體處布置沖洗入口。從圖12中可以看出，在總沖洗量不變的情況下，沖洗位置分散布置(工況6)時(shí)，流場(chǎng)最高溫度反而更高，說(shuō)明泵側(cè)殼體處沖洗冷油未與球碗附近流體充分混合，起到降低球碗表面溫度的效果；由于沖洗入口分散布置，流場(chǎng)中高溫油液與冷油混合作用增強(qiáng)，降低了泵側(cè)流場(chǎng)的平均溫度。

圖12 工況2和工況6最高溫度及平均溫度

3)出口位置分布的影響

不同的出口位置布置方式(即泵和馬達(dá)雙側(cè)布置、泵單側(cè)布置)會(huì)影響泵側(cè)油液體積分?jǐn)?shù)及油液流速，進(jìn)而影響泵側(cè)流場(chǎng)換熱效果。如圖13所示，流場(chǎng)單側(cè)布置出口(工況4)相較于雙側(cè)布置(工況2)，流場(chǎng)的最高溫度升高，平均溫度變化不明顯。這是因?yàn)橹辉诒脗?cè)布置出口時(shí)，泵側(cè)油液體積分?jǐn)?shù)減少，油液對(duì)球碗表面的冷卻作用減弱，因此流場(chǎng)最高溫度升高；雖然泵側(cè)流場(chǎng)平均溫度因?yàn)橛鸵簻p少而升高，但馬達(dá)側(cè)由于沒(méi)有流場(chǎng)出口，低溫沖洗油液在馬達(dá)側(cè)聚集，平均溫度減小，因此整個(gè)流場(chǎng)的平均溫度變化不明顯。

圖13 工況2和工況4流場(chǎng)最高溫度及平均溫度

3.3 冷卻方案評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)流場(chǎng)溫度分布的均勻性及各工況冷卻效果，提出溫度均勻性因子f：

(8)

式中，T1，T2，…，TN——流場(chǎng)中任意點(diǎn)溫度

Ta——流場(chǎng)平均溫度

f越接近于0，則流場(chǎng)溫度分布均勻性越好。

各工況溫度均勻性因子及流場(chǎng)最高溫度分布如圖14所示。從降低流場(chǎng)最高溫來(lái)看，工況2效果最好，工況5，6 次之，工況3最差。由此可知，分散布置泵側(cè)和馬達(dá)側(cè)出口位置及增大沖洗量可有效降低流場(chǎng)最高溫度。從流場(chǎng)分布均勻性角度來(lái)看，工況6溫度均勻性最好，工況2次之，工況1最差，說(shuō)明冷卻沖洗入口分散布置可有效改善流場(chǎng)溫度分布均勻性。工況6較工況2和5，流場(chǎng)最高溫增加不多但f卻大大減小。綜合來(lái)看，工況6為最優(yōu)流場(chǎng)冷卻沖洗方案，即分散布置沖洗口和流場(chǎng)出口位置能有效改善流場(chǎng)的最高溫度及溫度分布均勻性。

圖14 不同工況下流場(chǎng)最高溫度及溫度均勻性因子

4 結(jié)論

針對(duì)聯(lián)體泵-馬達(dá)殼體內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)傳熱特性，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)、Mixture多相流模型及Realizablek-ε湍流模型，開(kāi)發(fā)了網(wǎng)格變形運(yùn)動(dòng)控制程序及軸承出口壓力控制程序，建立了殼體內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)傳熱數(shù)值模擬模型，模擬分析了不同工況下流場(chǎng)流動(dòng)傳熱特性和熱點(diǎn)分布規(guī)律及機(jī)理，對(duì)比分析了多個(gè)因素對(duì)沖洗冷卻效果的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)泵-馬達(dá)殼體內(nèi)流場(chǎng)泵側(cè)溫度整體高于馬達(dá)側(cè)，且泵側(cè)溫度沿周向均勻分布，馬達(dá)側(cè)溫度呈上高下低分布；流場(chǎng)在尾軸承區(qū)域形成低溫區(qū)；流場(chǎng)最高溫度出現(xiàn)在球碗表面；

(2)泵-馬達(dá)殼體內(nèi)流場(chǎng)溫度分布主要跟流場(chǎng)內(nèi)部件運(yùn)動(dòng)形式有關(guān)，泵側(cè)缸體柱塞等部件高速旋轉(zhuǎn)攪拌使得泵側(cè)生熱量增加，溫度高于馬達(dá)側(cè)，同時(shí)也使得油液充分混合且周向均勻分布，馬達(dá)側(cè)無(wú)旋轉(zhuǎn)部件，油液受重力影響上下分層分布，溫度場(chǎng)分布與油液體積分?jǐn)?shù)分布呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此溫度場(chǎng)呈現(xiàn)泵側(cè)周向均勻分布、馬達(dá)側(cè)上下分層的特點(diǎn)；

(3)泵側(cè)流場(chǎng)中由于轉(zhuǎn)動(dòng)部件高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用使得油液遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)部件表面，因此球碗表面油液分布較少，流速低，冷卻效果差，球碗摩擦生熱量大未能及時(shí)被冷卻從而形成熱點(diǎn)；尾軸承區(qū)域由于大量渦的存在，從尾軸承進(jìn)入流場(chǎng)的低溫油液在此聚集，形成低溫區(qū)域；

(4)分散布置泵側(cè)和馬達(dá)側(cè)出口位置及增大沖洗量可有效降低流場(chǎng)最高溫度；冷卻沖洗入口分散布置可改善流場(chǎng)溫度分布均勻性，因此在沖洗量一定的情況下建議分散布置流場(chǎng)出口及冷卻進(jìn)口改善流場(chǎng)冷卻效果。