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渦輪增壓器水冷軸承體冷卻性能仿真研究

文檔作者：龔金科章滔胡遼平張愛明周崢余明果文檔來源： 1．湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點(diǎn)實驗室 2．湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2026年01月25日
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2014年(第36卷)第3期
汽車工程
Automotive Engineering
2014072
渦輪增壓器水冷軸承體冷卻性能仿真研究術(shù)
龔金科 ，章滔 ，胡遼平 ，張愛明 ，周 崢 ，余明果
(1．湖南大學(xué)，汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點(diǎn)實驗室，長沙410082； 2．湖南天雁機(jī)械有限責(zé)任公司，衡陽421005)
[摘要] 基于渦輪增壓器水冷軸承體冷卻機(jī)理，采用CFD軟件和FEA軟件建立了正常工況下軸承體的流固
耦合模型，并對兩種不同冷卻方式下的軸承體冷卻性能進(jìn)行了數(shù)值仿真和試驗對比。結(jié)果表明采用一邊進(jìn)另一邊
出的冷卻方式其溫度分布均勻且低溫區(qū)域分布較廣，冷卻性能較優(yōu)。該渦輪增壓器水冷軸承體流固耦合模型具較
高的精度，為軸承體冷卻性能的進(jìn)一步研究提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：渦輪增壓器；軸承；冷卻；流固耦合；數(shù)值模擬
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
渦輪增壓器水冷軸承體是增壓器結(jié)構(gòu)中的重
要機(jī)件，其各部分的溫度分布不均勻而產(chǎn)生很大的
熱應(yīng)力¨ J。其冷卻性能直接影響著渦輪增壓器
的可靠性，在很大程度上決定了渦輪增壓器的壽
命 一 。
為降低渦輪增壓器全浮動軸承和密封環(huán)附近
的溫度，以提高渦輪增壓器的可靠性，采取了許多
優(yōu)化措施 J。但為防止熱倒流現(xiàn)象的發(fā)生普遍
采用機(jī)油和冷卻水同時冷卻的方式。雖然冷卻水
對水冷軸承體的冷卻性能影響很大，卻缺乏對正常
工況下渦輪增壓器水冷軸承體冷卻性能的相應(yīng)研
究 。
本文中采用計算流體力學(xué)軟件和有限元軟件聯(lián)
合進(jìn)行流固耦合仿真的方法進(jìn)行數(shù)值模擬，實現(xiàn)了
數(shù)據(jù)在不同軟件之間的無縫傳遞，提出了一種渦輪
增壓器水冷軸承體溫度場的計算方法。以某型號渦
輪增壓器為例，用該方法對兩種不同冷卻水流動方
式進(jìn)行了流固耦合數(shù)值模擬，得到了軸承體溫度分
布情況，并與試驗進(jìn)行了對比驗證。
湖南省自然科學(xué)基金(10JJ6080)、汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點(diǎn)實驗室自主課題(61075002)和國家重點(diǎn)院?；A(chǔ)研
究基金(531 107040300)資助。
原稿收到13期為2012年4月17 13，修改稿收到日期為2012年6月15日。
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· 384· 汽車工程 2014年(第36卷)第3期
1 渦輪增壓器水冷軸承體傳熱基本原理
渦輪增壓器水冷軸承體傳熱的數(shù)學(xué)模型包括冷
卻水和機(jī)油的流動與傳熱模型、軸承體固體導(dǎo)熱模
型和冷卻介質(zhì)與軸承體復(fù)雜結(jié)合面的耦合傳熱
模型。
1．1 冷卻水和機(jī)油的流動與傳熱
在冷卻水和機(jī)油的流動與傳熱計算中，將其視
為穩(wěn)態(tài)的湍流運(yùn)動，其流動和傳熱過程都遵從質(zhì)量
守恒、動量守恒和能量守恒定律。
質(zhì)量守恒方程：
div(pU)=0 (1)
式中：P為流體密度；U為流體速度矢量。
動量守恒方程：
div(p )=div( grad )一 +s
div( )=div(／zgrad )一 +5 (2)
oy
div(JD )：div( gmd )一 +s
式中：p為流體壓力； 為動力黏度；S 、S 、Sw為動量
守恒方程的廣義源項。
能量守恒方程：
div(poUT )=： divf " "grad T1l+5 r (3)
＼0p I
式中：c 為流體的比熱容；T為流體溫度；K為流體的
傳熱系數(shù)；5 是黏性耗散項。
反映湍流脈動量對流場影響的湍流動能方程和
湍流應(yīng)力方程可通過后． 方程得到，其形式為
= 毒 ㈩
= 毒[( + 蘭] 詈cc Gz +-s
(5)
式中： 為湍動能； 為湍動黏度；G 為由于平均速度
梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；Js 為湍動能源項；
為湍動能k對應(yīng)Prandtl數(shù)； 為湍動耗散率；s 為湍
動耗散源項； 為湍動能耗散率 對應(yīng)Prandtl數(shù)；
C1 和c2 為經(jīng)驗常數(shù)， =1．0，Or =1．3，C1 =1．44，
C2 =1．92。
1．2 渦輪增壓器水冷軸承體機(jī)體傳熱
渦輪增壓器水冷軸承體機(jī)體內(nèi)傳熱過程的能量
守恒方程為
0。。： f【 + + +q一9v (6)
式中：c為軸承體的比熱容； 為熱擴(kuò)散系數(shù)， =A／
(pc)，A為導(dǎo)熱系數(shù)；T為機(jī)體溫度； 為單位體積
的發(fā)熱功率；t為時問變量。
1．3 流固耦合邊界的共軛傳熱
由于在渦輪增壓器軸承體中采用水冷能很好地
解決熱倒流問題，目前普遍采用機(jī)油和冷卻水同時冷
卻的冷卻方式 。但對于渦輪增壓器水冷軸承體
冷卻腔內(nèi)流體與軸承體之間的換熱問題，在流體和固
體壁面相互影響下難以預(yù)先確定熱邊界條件 ]。
流固耦合傳熱是一個典型的弱耦合問題。它只在
邊界上存在熱量交換，其邊界上的溫度和換熱系數(shù)都
應(yīng)看成是計算結(jié)果的一部分，而不是已知條件，關(guān)鍵在
于解決流體與固體壁面之間的熱量傳遞問題 。
在渦輪增壓器流固耦合傳熱邊界上有：
g l 。lid=qwI d (7)
當(dāng)黏性流體在貼近壁面附近流動且流速很小
時，其相對運(yùn)動可忽略不計 。在渦輪增壓器水冷
軸承體壁面流體層處由傅里葉熱定律可知：
q lf1L】id=一Agrad t (8)
式中：grad t為貼近壁面法線方向上流體溫度梯度。
而對流傳熱的牛頓冷卻公式為
g I nl】id=h(tw-tf) (9)
式中：h為對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；t 和t 分別為交
界面和附近冷卻液的溫度。
由式(8)和式(9)可以得到對流傳熱表面換熱
系數(shù)與流體溫度場的關(guān)系式為
： —
- Agr
—
ad t (10)
n= — 【lU J
一tf
為減少邊界條件和更好體現(xiàn)實際工作情況，采
用數(shù)值法進(jìn)行研究。若只運(yùn)用單一綜合性有限元軟
件對正常工況下渦輪增壓器水冷軸承體冷卻性能進(jìn)
行數(shù)值模擬，很難在減少計算量的同時保證較高計
算精度 。因此對軸承體固體和冷卻水腔流體分
別建模，采用有限元軟件和計算流體力學(xué)軟件分別
仿真，再通過編譯文件實現(xiàn)數(shù)據(jù)在其之間的傳遞，較
好地體現(xiàn)了有限元軟件和計算流體力學(xué)軟件在固
體、流體領(lǐng)域仿真的優(yōu)勢。
結(jié)合Fire和Abaqus軟件特點(diǎn)，按圖1所示流程
實現(xiàn)渦輪增壓器水冷軸承體冷卻性能數(shù)值仿真模型
的流固耦合計算。將Fire計算所得的流體邊界溫度
與對流傳熱系數(shù)h映射到有限元網(wǎng)格上，利用Msc
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龔金科，等：渦輪增壓器水冷軸承體冷卻性能仿真研究 ·385·
patran耦合面網(wǎng)格和軸承體內(nèi)表面的溫度自由度，
并在Abaqus中將其轉(zhuǎn)換成熱交換邊界條件。再將
Abaqus計算所得的固體壁面溫度映射到面網(wǎng)格節(jié)
點(diǎn)上作為流體計算的壁面條件，在Fire中進(jìn)行計算，
按此步驟重復(fù)迭代耦合直至溫度收斂。
圖1 流固耦合計算流程圖
2 渦輪增壓器水冷軸承體冷卻性能仿真
2．1 渦輪增壓器水冷軸承體冷卻性能仿真模型
渦輪增壓器水冷軸承體在實際工作中，同時傳
遞熱量給機(jī)油、冷卻水、渦輪軸、渦輪箱和壓氣機(jī)等，
傳熱情況十分復(fù)雜。在進(jìn)行數(shù)值模擬時對軸承體外
表面倒角和細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，忽略對于軸承體傳
熱影響很小的部件。
在三維軟件中按照軸承體實際尺寸建立幾何模
型并導(dǎo)入Hypermesh中，劃分機(jī)油腔、冷卻水腔面網(wǎng)
格和渦輪增壓器軸承體三維網(wǎng)格。為保證內(nèi)部細(xì)小
尺寸結(jié)構(gòu)逼近程度，全部采用四面體劃分軸承體網(wǎng)
格。同時為更精確模擬壁面附近的流動和傳熱特
性，將機(jī)油腔、冷卻水腔表面網(wǎng)格導(dǎo)人到Fire軟件
中，利用其前處理模塊fame對進(jìn)、出口和表面網(wǎng)格
以及邊界層網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，采用四面體、六面體混合
劃分網(wǎng)格的方法劃分流體網(wǎng)格。
建立的軸承體三維網(wǎng)格模型如圖2所示，冷卻
水腔進(jìn)出水口按照順時針順序分別標(biāo)記為1、2、3、
4。機(jī)油的CFD網(wǎng)格模型如圖3所示。正常工況下
4
圖2 渦輪增壓器軸
承體網(wǎng)格模型
圖3 機(jī)油的CFD
網(wǎng)格模型
為避免空腔現(xiàn)象的發(fā)生，冷卻時往往只采用下進(jìn)上
出的冷卻水流動方式。為分析水冷對于軸承體冷卻
性能的影響，對一邊進(jìn)同邊出和一邊進(jìn)另一邊出兩
種冷卻方式，分甲、乙兩種方案分別建立水腔模型，
如表1所示。
表1 不同冷卻方式的比較
甲方案 乙方案
冷卻水流動方式 一邊進(jìn)同邊出 一邊進(jìn)另一邊出
進(jìn)水口 口2 口3
出水口 口1 口1
冷卻水CFD網(wǎng)格數(shù)量 1l3 287 104 688
機(jī)油的CFD網(wǎng)格數(shù)量 82 237 82 237
2．2 邊界條件
本文中研究的是正常工況下渦輪增壓器水冷軸
承體穩(wěn)定運(yùn)行時的冷卻情況，其傳熱邊界條件通過
相應(yīng)試驗測取。當(dāng)渦輪增壓器軸轉(zhuǎn)速為1 10 000r／
min時，控制渦輪進(jìn)氣溫度為950~C，進(jìn)口廢氣流量
為0．12kg／s，冷卻水進(jìn)口溫度為75℃，機(jī)油進(jìn)口溫
度為IO0~C。渦輪增壓器水冷軸承體內(nèi)冷卻水和機(jī)
油的流動認(rèn)為是三維不可壓縮流動，入口采用壓力
邊界，冷卻水進(jìn)水壓力2．5MPa，機(jī)油進(jìn)口壓力為
0．5MPa，出口采用自由出口邊界，壁面采用無滑移
壁面邊界條件。
2．3 計算結(jié)果分析
2．3．1 迭代耦合收斂性分析
在軸承體機(jī)油腔和冷卻水腔表面各取一點(diǎn)c和
D，并在軸承體其余位置任取兩點(diǎn)A、B，迭代9次后，
其收斂情況如圖4所示。可以看出，甲方案從第7
次迭代耦合開始，乙方案從第5次迭代耦合開始，溫
度值開始收斂穩(wěn)定。
2．3．2 冷卻水腔表面換熱系數(shù)分布
圖5給出了采用甲、乙兩種方案在Fire中計算
時渦輪增壓器水冷軸承體冷卻水腔表面的換熱系
數(shù)。兩者換熱系數(shù)最高區(qū)域皆位于水腔進(jìn)出口附
近，達(dá)到4 700W／(m ·K)以上。而在水腔靠近渦
輪一端，乙方案換熱系數(shù)在1 269．1～2 314．8W／
(m ·K)之間，略低于甲方案換熱系數(shù)。但由于甲
方案進(jìn)水口與出水口距離過近造成換熱系數(shù)分布不
均勻，在冷卻水腔表面的中間部位存在許多低換熱
系數(shù)區(qū)域。
2．3．3 軸承體溫度分布
圖6為甲、乙兩種方案水冷軸承體軸向方向豎
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· 388· 汽車工程 2014年(第36卷)第3期
4 結(jié)論
(1)通過對正常工況下渦輪增壓器水冷軸承體
冷卻機(jī)理的研究，采用計算流體力學(xué)軟件和有限元
軟件聯(lián)合進(jìn)行流固耦合仿真的方法進(jìn)行數(shù)值模擬，
提出了一種渦輪增壓器溫度場的計算方法。該方法
為分析渦輪增壓器水冷軸承體各參數(shù)與熱傳導(dǎo)的關(guān)
系和揭示溫度場分布規(guī)律提供了一種有效的數(shù)值模
擬方法，為冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化提供了依據(jù)。
(2)對不同冷卻方式下渦輪增壓器水冷軸承體
溫度分布的模擬結(jié)果表明，在同樣的進(jìn)口條件下，采
用冷卻水一邊進(jìn)另一邊出的冷卻方式，溫度分布更
為均勻，低溫區(qū)域分布更廣，且軸承受熱應(yīng)力小，冷
卻性能優(yōu)于使用一邊進(jìn)同邊出的冷卻水流通方式。
(3)通過與試驗結(jié)果進(jìn)行比較表明，模擬計算
結(jié)果與試驗值較為接近，符合渦輪增壓器水冷軸承
體正常工作時溫度分布，證明該仿真方法合理，計算
結(jié)果可信。
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(上接第355頁)
的因素，根據(jù)前輪側(cè)滑機(jī)理，基于考慮胎體復(fù)雜變
形、輪胎外傾和側(cè)偏理論，對胎面?zhèn)绕冃斡嬎阌煤?
化半物理模型進(jìn)行分析，推導(dǎo)出兩者間匹配關(guān)系計
算公式，并通過試驗驗證。
(2)公式明確了影響前輪外傾角 與前束值
匹配的諸多因素：輪胎接地印跡長度2o、輪輞直徑
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