导航：安全管理网>> 安全论文>> 机械安全论文>>正文

涡轮增压器水冷轴承体冷却性能仿真研究

文档作者：龚金科章滔胡辽平张爱明周峥余明果文档来源： 1．湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室 2．湖南天雁机械有限责任公司		点击数：	更新时间： 2026年01月25日
下载地址：点击这里	文件大小： 955.22 KB 共6页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共6页]

本文件共6页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：955.22 KB 共6页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

下一篇：涡轮增压器水冷轴承体冷却性能仿真研究

上一篇：涡轮增压器压气机的气动噪声源特性研究

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

2014年(第36卷)第3期
汽车工程
Automotive Engineering
2014072
涡轮增压器水冷轴承体冷却性能仿真研究术
龚金科 ，章滔 ，胡辽平 ，张爱明 ，周 峥 ，余明果
(1．湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙410082； 2．湖南天雁机械有限责任公司，衡阳421005)
[摘要] 基于涡轮增压器水冷轴承体冷却机理，采用CFD软件和FEA软件建立了正常工况下轴承体的流固
耦合模型，并对两种不同冷却方式下的轴承体冷却性能进行了数值仿真和试验对比。结果表明采用一边进另一边
出的冷却方式其温度分布均匀且低温区域分布较广，冷却性能较优。该涡轮增压器水冷轴承体流固耦合模型具较
高的精度，为轴承体冷却性能的进一步研究提供依据。
关键词：涡轮增压器；轴承；冷却；流固耦合；数值模拟
A Research of the Simulation on the Cooling Performance of
Water—cooled Bearing in Turbocharger
Gong Jinke ，Zhang Tao ，Hu Liaoping ，Zhang Aiming ，Zhou Zheng &amp;amp; Yu Mingguo
1．Hunan Unive~iq，State Key Laboratory ofAdvanced Design and Manufacturingfor Vehicle Boay，Changsha 410082；
2．Hunan nMachinery Co．，Ltd．，Hengyang 421005
[Abstract] Based on the cooling mechanism of water—cooled bearing in turbocharger，a liquid—solid coupling
model for the bearing under normal working conditions is built with CFD and FEA software，and a numerical simulation
on the cooling perform ance of bearing with two different ways of cooling is carried out，which is then compared
with tests．The results show that with the way of cooling of one side in and other side out，the temperature distribu—
tion is more uniform and the low·temperature region is more widely spread，leading to a better cooling performance．
The liquid-solid coupling model for the water-cooled beating in turbocharger has a high accuracy，providing a basis
for the further research of the cooling perform ance of bearing．
Keywords：turbocharger；bearing；cooling；fluid-sofid coupling；numerical simulation
月U吾
涡轮增压器水冷轴承体是增压器结构中的重
要机件，其各部分的温度分布不均匀而产生很大的
热应力¨ J。其冷却性能直接影响着涡轮增压器
的可靠性，在很大程度上决定了涡轮增压器的寿
命 一 。
为降低涡轮增压器全浮动轴承和密封环附近
的温度，以提高涡轮增压器的可靠性，采取了许多
优化措施 J。但为防止热倒流现象的发生普遍
采用机油和冷却水同时冷却的方式。虽然冷却水
对水冷轴承体的冷却性能影响很大，却缺乏对正常
工况下涡轮增压器水冷轴承体冷却性能的相应研
究 。
本文中采用计算流体力学软件和有限元软件联
合进行流固耦合仿真的方法进行数值模拟，实现了
数据在不同软件之间的无缝传递，提出了一种涡轮
增压器水冷轴承体温度场的计算方法。以某型号涡
轮增压器为例，用该方法对两种不同冷却水流动方
式进行了流固耦合数值模拟，得到了轴承体温度分
布情况，并与试验进行了对比验证。
湖南省自然科学基金(10JJ6080)、汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主课题(61075002)和国家重点院校基础研
究基金(531 107040300)资助。
原稿收到13期为2012年4月17 13，修改稿收到日期为2012年6月15日。
学兔兔 www.xuetutu.com
· 384· 汽车工程 2014年(第36卷)第3期
1 涡轮增压器水冷轴承体传热基本原理
涡轮增压器水冷轴承体传热的数学模型包括冷
却水和机油的流动与传热模型、轴承体固体导热模
型和冷却介质与轴承体复杂结合面的耦合传热
模型。
1．1 冷却水和机油的流动与传热
在冷却水和机油的流动与传热计算中，将其视
为稳态的湍流运动，其流动和传热过程都遵从质量
守恒、动量守恒和能量守恒定律。
质量守恒方程：
div(pU)=0 (1)
式中：P为流体密度；U为流体速度矢量。
动量守恒方程：
div(p )=div( grad )一 +s
div( )=div(／zgrad )一 +5 (2)
oy
div(JD )：div( gmd )一 +s
式中：p为流体压力； 为动力黏度；S 、S 、Sw为动量
守恒方程的广义源项。
能量守恒方程：
div(poUT )=： divf " "grad T1l+5 r (3)
＼0p I
式中：c 为流体的比热容；T为流体温度；K为流体的
传热系数；5 是黏性耗散项。
反映湍流脉动量对流场影响的湍流动能方程和
湍流应力方程可通过后． 方程得到，其形式为
= 毒 ㈩
= 毒[( + 兰] 詈cc Gz +-s
(5)
式中： 为湍动能； 为湍动黏度；G 为由于平均速度
梯度引起的湍动能k的产生项；Js 为湍动能源项；
为湍动能k对应Prandtl数； 为湍动耗散率；s 为湍
动耗散源项； 为湍动能耗散率 对应Prandtl数；
C1 和c2 为经验常数， =1．0，Or =1．3，C1 =1．44，
C2 =1．92。
1．2 涡轮增压器水冷轴承体机体传热
涡轮增压器水冷轴承体机体内传热过程的能量
守恒方程为
0。。： f【 + + +q一9v (6)
式中：c为轴承体的比热容； 为热扩散系数， =A／
(pc)，A为导热系数；T为机体温度； 为单位体积
的发热功率；t为时问变量。
1．3 流固耦合边界的共轭传热
由于在涡轮增压器轴承体中采用水冷能很好地
解决热倒流问题，目前普遍采用机油和冷却水同时冷
却的冷却方式 。但对于涡轮增压器水冷轴承体
冷却腔内流体与轴承体之间的换热问题，在流体和固
体壁面相互影响下难以预先确定热边界条件 ]。
流固耦合传热是一个典型的弱耦合问题。它只在
边界上存在热量交换，其边界上的温度和换热系数都
应看成是计算结果的一部分，而不是已知条件，关键在
于解决流体与固体壁面之间的热量传递问题 。
在涡轮增压器流固耦合传热边界上有：
g l 。lid=qwI d (7)
当黏性流体在贴近壁面附近流动且流速很小
时，其相对运动可忽略不计 。在涡轮增压器水冷
轴承体壁面流体层处由傅里叶热定律可知：
q lf1L】id=一Agrad t (8)
式中：grad t为贴近壁面法线方向上流体温度梯度。
而对流传热的牛顿冷却公式为
g I nl】id=h(tw-tf) (9)
式中：h为对流传热表面传热系数；t 和t 分别为交
界面和附近冷却液的温度。
由式(8)和式(9)可以得到对流传热表面换热
系数与流体温度场的关系式为
： —
- Agr
—
ad t (10)
n= — 【lU J
一tf
为减少边界条件和更好体现实际工作情况，采
用数值法进行研究。若只运用单一综合性有限元软
件对正常工况下涡轮增压器水冷轴承体冷却性能进
行数值模拟，很难在减少计算量的同时保证较高计
算精度 。因此对轴承体固体和冷却水腔流体分
别建模，采用有限元软件和计算流体力学软件分别
仿真，再通过编译文件实现数据在其之间的传递，较
好地体现了有限元软件和计算流体力学软件在固
体、流体领域仿真的优势。
结合Fire和Abaqus软件特点，按图1所示流程
实现涡轮增压器水冷轴承体冷却性能数值仿真模型
的流固耦合计算。将Fire计算所得的流体边界温度
与对流传热系数h映射到有限元网格上，利用Msc
学兔兔 www.xuetutu.com
龚金科，等：涡轮增压器水冷轴承体冷却性能仿真研究 ·385·
patran耦合面网格和轴承体内表面的温度自由度，
并在Abaqus中将其转换成热交换边界条件。再将
Abaqus计算所得的固体壁面温度映射到面网格节
点上作为流体计算的壁面条件，在Fire中进行计算，
按此步骤重复迭代耦合直至温度收敛。
图1 流固耦合计算流程图
2 涡轮增压器水冷轴承体冷却性能仿真
2．1 涡轮增压器水冷轴承体冷却性能仿真模型
涡轮增压器水冷轴承体在实际工作中，同时传
递热量给机油、冷却水、涡轮轴、涡轮箱和压气机等，
传热情况十分复杂。在进行数值模拟时对轴承体外
表面倒角和细小结构进行简化，忽略对于轴承体传
热影响很小的部件。
在三维软件中按照轴承体实际尺寸建立几何模
型并导入Hypermesh中，划分机油腔、冷却水腔面网
格和涡轮增压器轴承体三维网格。为保证内部细小
尺寸结构逼近程度，全部采用四面体划分轴承体网
格。同时为更精确模拟壁面附近的流动和传热特
性，将机油腔、冷却水腔表面网格导人到Fire软件
中，利用其前处理模块fame对进、出口和表面网格
以及边界层网格进行细化，采用四面体、六面体混合
划分网格的方法划分流体网格。
建立的轴承体三维网格模型如图2所示，冷却
水腔进出水口按照顺时针顺序分别标记为1、2、3、
4。机油的CFD网格模型如图3所示。正常工况下
4
图2 涡轮增压器轴
承体网格模型
图3 机油的CFD
网格模型
为避免空腔现象的发生，冷却时往往只采用下进上
出的冷却水流动方式。为分析水冷对于轴承体冷却
性能的影响，对一边进同边出和一边进另一边出两
种冷却方式，分甲、乙两种方案分别建立水腔模型，
如表1所示。
表1 不同冷却方式的比较
甲方案 乙方案
冷却水流动方式 一边进同边出 一边进另一边出
进水口 口2 口3
出水口 口1 口1
冷却水CFD网格数量 1l3 287 104 688
机油的CFD网格数量 82 237 82 237
2．2 边界条件
本文中研究的是正常工况下涡轮增压器水冷轴
承体稳定运行时的冷却情况，其传热边界条件通过
相应试验测取。当涡轮增压器轴转速为1 10 000r／
min时，控制涡轮进气温度为950~C，进口废气流量
为0．12kg／s，冷却水进口温度为75℃，机油进口温
度为IO0~C。涡轮增压器水冷轴承体内冷却水和机
油的流动认为是三维不可压缩流动，入口采用压力
边界，冷却水进水压力2．5MPa，机油进口压力为
0．5MPa，出口采用自由出口边界，壁面采用无滑移
壁面边界条件。
2．3 计算结果分析
2．3．1 迭代耦合收敛性分析
在轴承体机油腔和冷却水腔表面各取一点c和
D，并在轴承体其余位置任取两点A、B，迭代9次后，
其收敛情况如图4所示。可以看出，甲方案从第7
次迭代耦合开始，乙方案从第5次迭代耦合开始，温
度值开始收敛稳定。
2．3．2 冷却水腔表面换热系数分布
图5给出了采用甲、乙两种方案在Fire中计算
时涡轮增压器水冷轴承体冷却水腔表面的换热系
数。两者换热系数最高区域皆位于水腔进出口附
近，达到4 700W／(m ·K)以上。而在水腔靠近涡
轮一端，乙方案换热系数在1 269．1～2 314．8W／
(m ·K)之间，略低于甲方案换热系数。但由于甲
方案进水口与出水口距离过近造成换热系数分布不
均匀，在冷却水腔表面的中间部位存在许多低换热
系数区域。
2．3．3 轴承体温度分布
图6为甲、乙两种方案水冷轴承体轴向方向竖
学兔兔 www.xuetutu.com
学兔兔 www.xuetutu.com
学兔兔 www.xuetutu.com
· 388· 汽车工程 2014年(第36卷)第3期
4 结论
(1)通过对正常工况下涡轮增压器水冷轴承体
冷却机理的研究，采用计算流体力学软件和有限元
软件联合进行流固耦合仿真的方法进行数值模拟，
提出了一种涡轮增压器温度场的计算方法。该方法
为分析涡轮增压器水冷轴承体各参数与热传导的关
系和揭示温度场分布规律提供了一种有效的数值模
拟方法，为冷却系统的优化提供了依据。
(2)对不同冷却方式下涡轮增压器水冷轴承体
温度分布的模拟结果表明，在同样的进口条件下，采
用冷却水一边进另一边出的冷却方式，温度分布更
为均匀，低温区域分布更广，且轴承受热应力小，冷
却性能优于使用一边进同边出的冷却水流通方式。
(3)通过与试验结果进行比较表明，模拟计算
结果与试验值较为接近，符合涡轮增压器水冷轴承
体正常工作时温度分布，证明该仿真方法合理，计算
结果可信。
参考文献
[1] 周虹伟．涡轮增压器主要部件结构特性及改进研究[J]．中国
铁道科学，2004，25(2)：72—77．
[2] 李志江．柴油机废气涡轮增压器的常见故障与使用保养[J]．
工程机械与维修，2008(4)：198—199．
[3] 于启洋，杨忠义，张琳．涡轮增压器的使用与维护[J]．河北水
利水电技术，2004(5)：39—40．
[4] 龚金科．汽车排放污染及控制[M]．北京：人民交通出版社，
2005．
[5] 黄智吴．涡轮增压器发展前景分析[J]．商用汽车，2004(12)：
88-89．
[6] 胡友安，李晓东．涡轮增压器蜗壳热裂纹的试验研究[J]．河海
大学学报，2008，36(6)：846—849．
[7] 张俊红，李志刚，王铁宁．车用涡轮增压技术的发展回顾、现状
及展望[J]．小型内燃机与摩托车，2007，36(1)：66—69．
[8] 杨世友，顾宏中，郭中朝．柴油机涡轮增压系统研究现状与进
展[J]．柴油机，2001(4)：1—5．
[9] 朱大鑫．涡轮增压与涡轮增压器[M]．北京：机械工业出版社，
1992．
[1O] 刘海亮，马永青，韩志引．汽车涡轮增压发动机工作原理及其
优势研究[J]．价值工程，201l，3o(8)：57—58．
[11] 吴新涛，何洪，徐思友，等．涡轮增压器轴承体传热计算方法研
究[J]．车用发动机，2010(1)：11—14．
[12] 胡友安，李晓东，陈图钧．涡壳温度场和热应力的有限元分析
[J]．机械强度，2007，29(1)：130—134．
[13] 徐思友，吴新涛，闫瑞乾，等．增压器轴承和密封环温度试验研
究[J]．车用发动机，2OLO(2)：35—37．
[14] 傅松，胡玉平，李新才，等．柴油机缸盖水腔流动与沸腾传热的
流固耦合数值模拟[J]．农业机械学报，2010，41(4)：26—3O．
[15] 孔祥谦．热应力有限单元法分析[M]．上海：上海交通大学出
版社，1999．
[16] 贾力，方肇洪．高等传热学[M]．北京：高等教育出版社，2008．
(上接第355页)
的因素，根据前轮侧滑机理，基于考虑胎体复杂变
形、轮胎外倾和侧偏理论，对胎面侧偏变形计算用简
化半物理模型进行分析，推导出两者间匹配关系计
算公式，并通过试验验证。
(2)公式明确了影响前轮外倾角 与前束值
匹配的诸多因素：轮胎接地印迹长度2o、轮辋直径
d、轮胎名义外径D、轮胎断面宽度B和整车前桥载
荷G 等。
参考文献
[1] 马骏，钱立军．汽车外倾角与前束值的合理匹配[J]．合肥工业
大学学报(自然科学版)，2012(1)．
[2] 王伯良，周建立，赵波，等．拖拉机前轮前束设计计算方法的研
究[J]．农业工程学报，1995，11(1)：89—94．
[3] 孔明树．解放牌CA10B型汽车前轮前束的改进[J]．汽车技术，
1986(3)：19-24．
[4] 史建鹏．汽车转向轮前束与车轮外倾角的设计匹配[J]．汽车
技术，2005(3)：1O一12．
[5] 郭孔辉，芦荡．轮胎稳态侧倾力学特性理论建模[J]．中国机械
工程，2001，12(5)：589—591．
[6] 张强．大侧倾角下轮胎稳态侧倾建模及试验研究[D]．长春：吉
林大学，2002：15—41．
[7] 郭孔辉，刘青．考虑胎体复杂变形的轮胎稳态侧偏特性理论模
型[J]．机械工程学报，1999，35(2)：15—18．
[8] 魏道高，李克强，金达峰，等．汽车前束值算法的研究[J]．农业
机械学报，2006，37(10)：35—37．
[9] Komandi G．The Determination of the Deflection Contact Area Dimensions
and Load Carrying Capacity for Driven Pneumatic Tyre~
Operating on Concrete Pavement[J]．Journal of Terramechanics，
1976，13(1)：15—20．
[1O] 庄继德．汽车轮胎学[M]．jE京：北京理工大学出版社，1995．

网友评论 more

机械安全论文最新内容

01-25