涡轮增压器水冷轴承体冷却性能仿真研究

涡轮增压器轴承体传热计算方法研究涡轮增压器轴承体在燃油喷射过程中的传热是影响其工作性能的重要因素之一。

传热影响了流体和轴承体之间的温度变化，从而影响涡轮增压器的工作性能。

因此，涡轮增压器轴承体传热计算方法是研究其工作性能的重要研究方法。

通常，涡轮增压器轴承体传热计算使用三种方法：理论计算、热封模型试验和数值模拟。

理论计算主要通过高斯蒙特-齐次传热方程来计算涡轮增压器轴承体的传热特性，由此得出传热系数的数值。

热封模型试验则通过设计一组模型试验，以涡轮增压器轴承体的特性对温度和涡轮增压器的性能进行测试，从而得出其传热系数的实际数值。

数值模拟则是利用计算机进行模拟计算，将涡轮增压器轴承体的特性及流体特性考虑在内，以得到更准确的传热系数。

利用上述三种方法，可以比较准确地计算出涡轮增压器轴承体的传热系数，从而对涡轮增压器的工作性能进行准确判断。

然而，由于具体工作环境的复杂性，使得上述计算方法也存在一定的局限性。

例如，在某些情况下，可能会出现在边界条件的变化，这时就需要重新进行计算，以保持涡轮增压器的性能稳定。

为了解决上述问题，基于数值模拟，可以使用多孔介质传热模型来研究轴承体结构及传热特性之间的关系。

多孔介质传热模型可以准确反映轴承体内部流动及温度场的变化，从而更准确的判断转子的实际表现，从而提高涡轮增压器的性能。

此外，为了提高涡轮增压器的性能，可以利用热导耦合研究轴承体的热物理性能，以更好的掌握轴承体的温度能量平衡。

解决传热机理模型，以得出更准确的传热系数，以便准确判断涡轮增压器性能。

综上所述，涡轮增压器轴承体传热计算方法是涡轮增压器性能研究的重要方法，可以利用理论计算、热封模型试验和数值模拟来准确计算涡轮增压器轴承体的传热系数，从而更好地掌握涡轮增压器的工作性能，提高涡轮增压器的使用效果。

某型CVT冷却系统仿真与试验研究本研究主要对某型CVT冷却系统进行了仿真与试验研究。

CVT冷却系统是指在可变传动器中为降低摩擦损失以及提高传动效率而设置的冷却系统。

本文将首先介绍CVT冷却系统的工作原理及主要构成部分，然后对系统进行建模和仿真分析，并结合实验对仿真结果进行验证和优化。

最后总结本研究的成果和不足之处，提出今后的改进方向。

1. CVT冷却系统概述CVT冷却系统是CVT传动中的一个重要组成部分，其主要功能是在变速器连续运转中有效地降低其温度，以提高传动效率和延长使用寿命。

CVT冷却系统主要包括水泵、散热器、温度传感器、管路等组成部分。

其中，水泵主要起抽水作用，将冷却液从散热器中抽出，经过变速器过程中产生的摩擦热后再回到散热器中进行降温，从而起到冷却作用。

温度传感器和管路则用于监测冷却液的温度和流动情况。

2. 建模和仿真分析本研究对CVT冷却系统进行建模和仿真分析。

采用ANSYS Fluent软件对系统进行数值求解，考虑了实际工况下流体的流动、温度、压力等物理量，分析了不同油温下的传热性能和流体动力学特性。

通过对模型的建立和仿真，可以得到CVT冷却系统在不同温度下的工作状态和效能，为后续试验优化提供数据基础。

3. 实验验证和优化为了验证模型的准确性和模拟结果的可靠性，本研究还进行了相应的试验。

实验结果表明，CVT冷却系统的工作效率和冷却性能随着系统设计参数和工作状态的不同而不同。

通过对仿真和试验结果的对比分析，发现存在一定的误差和差异，主要源于对CVT冷却系统工作原理和物理机理的理解不够深入和准确，同时受到实验系统本身的一系列限制因素的影响。

4. 结论和展望本研究对某型CVT冷却系统进行了建模和仿真分析，并结合实验对结果进行了验证和优化。

通过对试验数据的分析和比较，可以得出存在误差和差异的结论。

今后应该加强对CVT冷却系统物理机理的研究，完善其设计和工作状态下的模拟和优化，提高冷却效率和传动效能。

长春工程学院学报(自然科学版)2020年第21卷第3期J ChangchunInst Tech (Nat Sci Edi )，2020，Vol21，No 321/2794-99ISSN 1009-8984CN 22-1323/Ndoi ：10. 3969/j. issn. 1009-8984. 2020. 03. 021一种水冷散热的设计方法及其仿真范杭茹(闽南理工学院，福建泉州362700)摘 要：设计了一款水冷散热器，采用三维建模CFD 仿真模拟了数据，对几个不同参数进行了测试和比较。

根据固体流体的温度状态、流体的流动类型、物质传递、温度传递等约束条件建立了数学模型，用到了共轭传 热工程模型方程，基于Comsol 特性得到了不同参数下的结果，分析了压力、散热、温度等分布情况，并给出了效果图样。

经多次计算、分析和比较，表明该装置的传热和温度压力状态是合理的。

关键词：传热学；水冷散热;COMSOL ；传热中图分类号:TU227文献标志码：A 文章编号1009-8984(2020)03-0094-060引言散热指将元件中不需要的热量通过某种手段传导到外部不影响工作的环境中，代表性方法有散热 片被动散热、风冷散热和水冷散热等多种方式［1］。

由于散热片被动散热形体巨大、成本高、效率低，所 以传统的散热方式多用风冷散热，但其较大的工作 噪音和低下的工作效率令人们开始考虑使用更加高 效的手段进行设备的散热⑵。

水冷散热在日渐高频 的设备中不断地被使用，这不仅因为它的工作环境更加安静，更主要的原因是在散热效率上对比风冷 散热具有更大的优势［3］。

本文基于COMSOL 大型仿真软件平台，利用 计算流体力学CFD 方法，建立了一种可设置散热效率和热源参数的散热管模型对其传热规律和传热性 能进行了研究［4—5］。

设计了简易的实验软件界面,做到了输入不同的参数就可以得到对应的结果和 图像［］。

1实验简介在水冷散热的过程中，热量总是从热源产生然 后传递到热交换装置，并最终被水带给冷却装置［7］。

风扇为发动机舱内的空气流动提供动力，以机械驱动式与电机驱动式风扇应用最为广泛，前者通过V 带等同发动机连接起来，转动速度正相关于发动机的转动速度，风量调控灵活性并不高；后者可对风扇的转动速度进行自行调控，风量可控性比较高。

目前汽车发动机主要采用水冷系统，文章亦以此为重点展开研究。

数学模型构建2.1CFD 模型在构建CFD 模型之前，先作以下假设：①不考虑舱内的辐射换热；②空气定性温度为周围环境的温度。

不考虑细小部件的影响，利用AMESim 软件构建汽车发动机舱模型，简化舱内结构，然后划分模型网格，局部加密处理舱内流场区域。

考虑到舱内结构复杂，空气流动存在很多边界层分离、涡流等情况，此处采用可实现k-e 方程模型对发动机舱内的空气流场进行模拟。

将来流空气温度作为定性温度对空气物性参数进行定义。

散热器采用多孔介质模型，进行热流密度边界的设置。

2.2GT-COOL 模型图1水冷系统工作循环示意图图2空调系统工作循环示意图发动机水套节温器环境空气大循环小循环散热器高温高压气体低温低压蒸汽压缩机车内热风冷风蒸发器干燥器膨胀阀冷凝器低温高压液体低温低压液体图3冷却系统一维简化模型除散热器会向空气环境散热，冷却系统管道与其他部件表面也通过对流换热向发动机舱散热。

计算如下：（式中各字母表示含义为：T w———部件表面温度；h m———平均对流换热系———空气主流温度。

散热器冷却液侧换热准则关联式为：（散热器空气液侧换热准则关联式为：（式中各字母表示含义为：Re l，Re g———雷诺准则数；Pr l———普朗特准则数。

在上述工作完成后，还要耦合一维与三维模型，经迭代计算确定热流场与发动机舱散热性能，保证实际散热的准确性。

3试验与仿真3.1仿真工况设定试验设置工况外部气温为-10℃，观察此环境条件下发动机冷却系统的散热特性。

另外，将发动机转速设为发动机进口与散热器出口位置处冷却液温度变化示意图观察发动机出口位置与散热器进口位置温度的变化，与实际发动机运行过程中发动机的温度改变情况是相符这对所建立的数学模型的准确性进行了验证。

车用涡轮增压器滚动轴承设计及性能分析车用涡轮增压器滚动轴承设计及性能分析一、引言涡轮增压器作为一种有效提高内燃机动力输出的装置，在汽车领域得到了广泛应用。

在涡轮增压器中，滚动轴承作为关键组成部分，承受着高速旋转的涡轮叶轮的轴向和径向载荷，对涡轮增压器的性能起着重要作用。

因此，设计优化滚动轴承对提高涡轮增压器性能至关重要。

二、滚动轴承设计1. 轴承选型根据涡轮增压器工作条件及载荷特点，选择适宜的滚动轴承类型。

常见的有球轴承、圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承。

2. 轴承材料选择滚动轴承在高速旋转、高温和高载荷的工况下工作，因此材料选择至关重要。

常见的轴承材料有高铬钢、高碳铬钢、高温合金等，根据具体应用场景选择合适的材料。

3. 轴承结构设计设计合适的轴承结构是确保滚动轴承正常工作的关键。

包括内外圈几何形状、滚动体数量和大小、保持架结构等。

三、滚动轴承性能分析1. 轴向载荷承载能力轴向载荷是滚动轴承承受的重要载荷之一，对涡轮增压器的性能和寿命有重要影响。

通过仿真分析和实验测试，评估滚动轴承的轴向载荷承载能力。

2. 径向载荷承载能力径向载荷是滚动轴承承受的另一个重要载荷。

通过分析受力情况和应力分布，评估滚动轴承的径向载荷承载能力。

3. 高速旋转下的热特性在高速旋转下，涡轮增压器会产生大量摩擦和热量。

通过热仿真和实验测试，研究滚动轴承在高速旋转下的热特性，如温升情况、热应力分布等。

4. 抗疲劳寿命滚动轴承在长期工作中容易受到疲劳破坏。

通过载荷循环试验和寿命预测分析，评估滚动轴承的抗疲劳寿命。

四、结论滚动轴承是车用涡轮增压器的关键部件之一，对其设计和性能分析具有重要意义。

通过合理的轴承选型、材料选择和结构设计，可以提高涡轮增压器的性能和寿命。

需要进一步加强对滚动轴承的现场测试、实验数据采集和仿真分析，不断优化其设计并提高其性能综上所述，滚动轴承在车用涡轮增压器中具有关键作用。

通过对轴承的设计和性能分析，可以提高涡轮增压器的性能和寿命。

涡轮钻具涡轮叶片设计及水力性能仿真优化研究涡轮钻具是高温或深孔地质钻探施工的必备工具，其在石油系统中的研究与应用得到了长足的发展，在取心及地质钻探中的应用相对较少，俄罗斯及北美在涡轮钻具技术上具有领先地位，对地质用涡轮钻具的研究为解决我国大陆科学深钻、地壳探测工程、高温地热资源勘探等国家重大工程深部钻进面临的高温高压问题有着重大意义。

在涡轮钻具的研究中，其性能的高低主要取决于涡轮叶片的水力性能，而其最关键的环节就是涡轮叶片的型线设计；在涡轮叶片型线设计中，叶片的叶背叶盆的型线选择直接影响着涡轮钻具的水力性能。

本文首先分析了涡轮叶片型线对液流流动参数的影响，认为影响涡轮性能的主要因素是叶片型线上局部存在不连续的曲率，为了减少水力损失，在叶片设计时选取叶片压力面和吸力面型线为具有连续三阶导数的单型线；其次，通过推导叶片型线与几何参数关系、定量求解方法和叶片型线检验要求，提出用五次多项式构造叶片型线，基于以上推论，采用SolidWorks三维造型软件设计出了地质钻探用的φ127涡轮钻具叶片，给出了叶片、涡轮节三维模型，结合计算机辅助设计可以很好的优化涡轮叶片形状，改进涡轮性能，大幅度提高了设计质量和总效率。

最后，论文将三维实体建模导入ANSYS CFD模块，通过CFD前置处理器等工具真实、准确地建立涡轮定、转子的单周期跨叶片流道计算模型，详细介绍了边界条件的设置方法。

通过这种方法可以很好地对叶片叶型进行优化。

论文中还模拟出优化设计后的涡轮叶片在不同流量、不同粘度下的速度场和压力场分布，证实了通过应用CFD技术可以快速、有效、准确地对涡轮定、转子叶片的流场进行分析。

此外，对不同流量下涡轮钻具的水力性能进行了预测。

涡轮增压器轴承体耦合传热的数值仿真作者：龚金科田应华贾国海章滔来源：《湖南大学学报·自然科学版》2015年第04期摘要：基于涡轮增压器轴承体冷却机理，采用专业CFD软件和FEM软件分别建立了轴承体流体区域和固体区域网格仿真模型.运用流固耦合的仿真计算方法对涡轮增压器轴承体进行耦合传热分析，得到轴承体流体区域的流场、换热系数及温度场，并分析轴承体固体区域的温度场.仿真结果表明：机油和水同时冷却方式下，轴承体温度分布较均匀，其冷却性能较好.与实验对比，仿真模型的温度符合实际轴承体温度分布，证明了此方法的可行性，为轴承体冷却性能的设计优化提供依据.关键词：涡轮增压器；温度场；冷却轴承体；流固耦合摘要：基于涡轮增压器轴承体冷却机理，采用专业CFD软件和FEM软件分别建立了轴承体流体区域和固体区域网格仿真模型.运用流固耦合的仿真计算方法对涡轮增压器轴承体进行耦合传热分析，得到轴承体流体区域的流场、换热系数及温度场，并分析轴承体固体区域的温度场.仿真结果表明：机油和水同时冷却方式下，轴承体温度分布较均匀，其冷却性能较好.与实验对比，仿真模型的温度符合实际轴承体温度分布，证明了此方法的可行性，为轴承体冷却性能的设计优化提供依据.关键词：涡轮增压器；温度场；冷却轴承体；流固耦合涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上，在高温、高压和高速运转的恶劣环境下工作＼[1＼]，其各部件的温度分布不均匀，对于轴承体，存在较大温差，承受着很大的热应力.轴承体作为增压器结构中的重要组成部分，起到支撑密封环和浮动轴承的作用，而密封环和浮动轴承又是涡轮增压器可靠性中的薄弱环节，轴承体的热负荷程度直接影响到密封环和轴承的使用寿命和工作可靠性＼[2-5＼].国内外为了降低涡轮增压器全浮动轴承和密封环附近温度，目前普遍采取用机油、水同时冷却的方式，并对其腔体进行优化设计＼[6-7＼].但对于两种液体同时冷却的方式缺乏系统的传热分析和流场的研究.本文基于轴承体冷却机理，利用专业CFD软件和FEM软件对某发动机涡轮增压器轴承体进行耦合传热数值仿真研究，即同时采用机油和水对轴承体进行冷却.通过计算得到轴承体流体区域的流场、换热系数和温度场分布，以及其固体区域的温度场，并将仿真计算值与实验值进行对比验证.1 涡轮增压器轴承体传热原理采用有限单元法对流体的流动与传热进行数值仿真，首先需要建立反映工程本质的数学模型.涡轮增压器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交界面的耦合传热模型.在冷却水和机油的流动与传热计算中，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.对于涡轮增压器轴承体内腔冷却液与轴承体之间的换热问题，只在内部壁面边界上存在热量交换，由于流体温度与固体壁面温度之间是相互制约的关系，边界条件无法预先确定.其边界上的温度、换热系数，都应看成是计算结果的一部分，而不是已知条件＼[9＼].由边界面的热平衡可知，在轴承体内部导向边界的热流密度等于从边界面传给周围流体的热流密度，即在涡轮增压器轴承体流固耦合传热边界上，固体传出的热量等于冷却液吸收的热量，由傅里叶定律和牛顿冷却公式可得＼[8＼]：-λ（Tn）w=h（Tw-Tf）.（3）式中：λ为导热系数，W/（m·K）；h为换热系数，W/（m2·K）；Tw为壁面温度，K；Tf为流体温度，K.本文所使用的FEM软件提供了流固耦合传热交界面模型，即流体域和固体域几何位置重合的面，如图1所示.在进行流固耦合传热仿真计算时，固体域和流体域之间可通过此交界面进行数据传递.当CFD软件仿真计算出流体区域的壁面温度和换热系数，将数据映射到图1所示的耦合传热交界面上，成为FEM软件计算的第3类热边界条件.经过FEM软件仿真计算后，得到轴承体固体区域的温度场，再通过耦合传热交接面将固体区域内部壁面温度映射到流体区域，成为流体CFD软件计算的边界条件.如此反复计算，直到轴承体节点上的温度不再变化为止.其过程如图2所示.2 涡轮增压器轴承体仿真模型2.1 涡轮增压器轴承体网格仿真模型涡轮增压器轴承体在实际工作中，存在着机油、冷却水、涡轮轴、涡轮箱、压气机之间的传热情况，在进行数值仿真计算前，为了简化分析影响轴承体冷却性能的主要因素，对轴承体外表面倒角和细小结构进行简化，可避免计算出错并使计算收敛更快.在三维建模软件中按照轴承体实际尺寸建立几何模型，导出x_t格式文件，利用网格软件分别抽取轴承体冷却油腔和冷却水腔，并将其导入CFD软件进行网格划分，如图3和图4所示.对于固体区域，为保证内部细小尺寸结构不失真，设置了最小网格尺寸，同时为了控制轴承体网格的数量，也设置了网格的最大尺寸，其网格如图5所示.2.2 物理模型材料准确的材料物性参数是仿真分析获得准确结果的重要前提.在该FEM软件中，对于固体域通常需要提供固体材料的热传导率、比热容、密度等参数.涡轮增压器轴承体的材料选用灰铸铁（HT）250，密度为7 280 kg/m3，比热容为510 J/（kg·K），泊松比为0.156，热传导率为45 W/（m·K），线膨胀系数为9×10-6 K，杨氏模量为138 000.对于流体区域的冷却液则需要定义其密度、比热容、动力粘度及导热系数等.当冷却液压力一定时，其物性参数只与温度有关，即温度的单值函数.2.3 边界条件在本文研究的流固耦合计算模型中，固体壁面的边界条件主要是指轴承体涡轮端和压气机端传热边界条件，不考虑辐射的影响.控制涡轮增压器转速为80 000 r/min，涡轮进气温度800 ℃，在该工况下通过传热边界测试获取轴承体涡轮端、压气机端的初始温度.在计算过程中，认为冷却液的流动是三维不可压缩的粘性湍流流动，湍流模型采用kε湍流模型.机油的入口采用压力边界条件，压力入口为0.3 MPa，温度为100 ℃，冷却水进口采用流速边界条件，流速为1.5 m/s，温度为80 ℃，机油和冷却水的出口都采用压力边界条件，分别为0.15 MPa和0.2 MPa.轴承体表面采用无滑移壁面边界条件.由于轴承体通过其外壁面散热，设环境温度为25 ℃，热传递系数为50 W/（m2·K）.3 仿真计算结果通过仿真计算得到增压器轴承体流体区域的流场、换热系数和温度场分布以及固体区域的温度场.3.1 流场分析图6给出了冷却油腔内机油速度流线图，机油入口末端管径变小，机油速率迅速增加，并分为三股流分别流向油腔顶部、中部和底部，使得机油充满整个腔体.腔体内速度流线分布均匀，机油流动顺畅，有利于机油对轴承体的冷却.3.2 流体域壁面换热系数如图8所示，机油腔体壁面换热系数从涡轮端至压气端，先减小，后增大，形成明显的换热系数梯度.最大换热系数分布在细小油道靠近涡轮端侧，当涡轮轴高速旋转时，机油与轴承体进行剧烈换热，较高的换热系数主要分布在机油腔体进口管道、细小油道以及腔体底部和顶部，大约在800～2 000 W/（m2·K）之间.在机油出口端，换热系数有所下降，大概在400～800 W/（m2·K）之间.这是由于换热系数与温差、机油流速等有关.当机油经过轴承冷却后，其温度上升，与轴承体的温差减小，且腔体的出口管道截面积比进口大，机油流速下降，故此区域换热系数变小.图中所示深蓝色区域，换热系数最小，主要由于机油流速在此区域较小，与轴承体换热较差.3.3 流体区域壁面温度场分析图9为机油腔体壁面温度场分布云图，温度从腔体顶部至底部依次降低，由于机油腔体上部分靠近涡轮端，热量来自发动机气缸中排出的废气，通过涡轮箱而传递到轴承体的顶部，热量从轴承体的涡轮端至压气端依次传递，为了充分冷却轴承体，热量传递至机油腔体时，流过腔体的机油带走一部分热量，越靠近涡轮端，带走的热量越多，相反，靠近压气端带走的热量较少，故油腔呈现明显的温度梯度.从图9中可知，机油腔体壁面温度最高为536.69 ℃，最低温度分布在靠近压气端一侧，为101.45 ℃.图10为水冷腔体壁面温度场分布云图，其温度分布与机油腔体壁面相似，温度从涡轮端至压气端都是依次递减.最高温度为553.57 ℃，最低温度为158.53 ℃.对比图9可知，水冷腔壁面最高温度略高于油腔壁面最高温度.3.4 轴承体温度场分析如图11所示，轴承体整体温度从涡轮端至压气端依次递减，最高温度分布在与涡轮废气直接接触的区域，约为550～600 ℃.经过水和机油的冷却，轴承体靠近压气端一侧温度下降至95.17 ℃.图12为轴承体切片温度云图，其内部温度从高至低过渡自然，温度梯度变化缓慢.在正常工况下，发动机尾气的热量通过涡轮箱传递给轴承体，一部分被冷却介质带走，另一部分传导至压气机，与此同时，涡轮轴高速旋转所产生的一部分热量通过机油传递至轴承体.水和机油同时冷却方式下，轴承体冷却效果最佳，不易产生局部高温和热应力，轴承体工作较稳定，保证了涡轮增压器的可靠性与耐久性.4 实验验证对涡轮增压器轴承体的温度分布进行数值模拟时，仿真结果的精确程度与传热边界条件的确定直接相关.为测得准确的实际轴承体局部温度值，需在涡轮增压器轴承体的不同位置布置测温点[9].热电偶是温度测量仪表中一种常用的测温原件，通过将热能转换成电能，再使用电气仪表读取被测介质的温度.其使用寿命长、装配简单，具有测量范围大、测量精度高等优点，能够在高温环境中工作.在涡轮增压器轴承体的传热试验中，采用WRTK112工业铠装热电偶分别对轴承体外表面和内腔进行温度测量并验证模拟仿真的准确性，其测点位置如图13所示.本实验为了模拟发动机排气，利用经过燃烧室加热的气体驱动涡轮增压器转动，控制增压器转速为80 000 r/min，涡轮进气温度为800 ℃，待增压器稳定运行后，测取验证条件.如图14所示，仿真计算结果和实测结果基本吻合，其最大误差仅为4.6%，图15为涡轮增压器轴承体温度测量实验装置.上述结果表明仿真模型的温度分布符合实际轴承体温度分布，采用计算流体力学软件和有限元软件相结合进行流固耦合仿真的方法对涡轮增压器轴承体传热和冷却性能的研究是可行的.5 结论本文采用流固耦合的方法对某发动机涡轮增压器轴承体进行耦合传热分析，结果如下：1）机油的流场表明：机油在腔体内流动顺畅，总体速度分布较均匀.2）机油腔体壁面换热系数从涡轮端至压气端，换热系数先减小，后增大，形成明显的换热系数梯度，其入口端换热系数大于出口端.3）流体区域壁面温度从腔体顶部至底部依次降低，但水冷腔体壁面最高温度略高于机油腔体壁面的最高温度.4）轴承体固体温度从涡轮端至压气端依次递减，温度梯度变化缓慢，其内部温度分布较均匀，不易产生局部高温和热应力.5）通过计算结果与实验结果的比较，模型仿真的整体温度场分布基本符合实际轴承体的温度分布，证明了此仿真方法的可行性.参考文献[1] 胡友安，李晓东，陈图钧，等. 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.HU Youan， LI Xiaodong， CHEN Tujun， et al. 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