摘要：针对某柴油发电机机油散热器水道阻力较大，危害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详解及阻力模拟。根据模拟结果，找到流体阻力大的缘由，对模型进行了优化布置上海康明斯发电机。对优化后的模型进行再次模拟，以确定最优措施，并对优化后样品进行阻力测试，以验证仿真结果的正确性，为后续机油散热器的设计供应参数支持。
为了保持机油在适宜的温度范围内工作，柴油发电机润滑油路通常都装有机油散热系统，用来对机油进行强制冷却。机油散热系统可分为两类：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。
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液，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机理是：当柴油发电机启动后，冷却水的温度上升较快，而这时机油的温度较低，因此，在机油防锈水的加热下，油温迅速升高，黏度下降，以适应作业需要。柴油发电机转入正常作业后，当机油温度高于防冻液温度时，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。
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。其构成如图2所示。它由扁铜管、散热片、框架、进油管和出油管构成。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。
润滑油路是决定柴油发电机使用年限的关键因素之一。润滑油路除了润滑作用外，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作业的关键条件，机油散热器一般由柴油发电机防锈水在其中进行冷却。冷却器必须合理布置，以便在最高水箱宝温度时，也不会发生过高的润滑温度。同时，机油散热器需要降低其介质流动的阻力，以便减轻其对柴油发电机容量的损耗。
这些对机油散热器的CFD仿真探讨和试验讨论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讨对象，通过三维CFD数值模拟获得其流阻特点，找到致使高水阻的原因。探讨人员针对主要问题规划改进方案，再通过三维CFD数值模拟验证改进措施的可行性。后期，探求人员对该机油散热器样件进行了台架试验，获得其流阻特征的试验数据，验证了仿真结果的正确性。
研讨人员将机油散热器水道内腔三维模型导入ANSYS MESHING过程进行网格划分。仿真选择三角形网格归类来初步划分面网格，选型网格尺寸为0.5mm。网格划分的高级尺寸控制函数选用了基于临近单元和曲率的程序，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量，以保证网格质量。模型网格共有19218935个单元。
仿真选用三维稳态流动计算。介质流动为不可压缩定常流动。湍流模型选用可实现k-e模型，壁面函数选取标准壁面函数。入口流速为2.425m/s，出口边界要素选择压力出口。入口转速为均匀流，方向垂直于入口截面。
该试验测试装置由进水供给装置和进油供给装置两个部分结构。进水供给装置通过电动控制阀对进水流量进行控制，进水流量为50~500L/min深圳康明斯发电机，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℃，检测精度控制为±0.01℃，最大入口压力为600kPa。
为了验证仿真方法的合理性和高效性，研讨人员按照不一样工况对机油散热器样件进行了台架试验。探求人员选用高精度试验台测量进水流量和阻力，为仿真模拟供应依据。探讨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。
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，这是由于讨论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高效性。
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可以看出漩涡的转速梯度，由于漩涡的原由，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昆明康明斯发电机。因为水流冲击的影响，芯子出口处产生了明显的滞留区。于是，在水道优化规划时，讨论人员需要考虑优化整体流场构成，增加分隔板进行导流来避免上述问题。
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，防范了两股水流对冲。局部还存在有漩涡，但较优化前已有明显改良，而且大部分防冻液直接导流到了出口。进口压力为27.58kPa，水流阻力相对优化前降低了50.21%。
根据水路改善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高效性。
研讨人员采取三维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。探讨人员利用仿真软件模拟冷却器内部水道流动情形，可以直观看到芯子水路与旁通水路对冲致使动量损失影响了冷却液流动，压降增大。根据仿真结果，探讨人员对水路进行改良，在芯子水路与旁通水路间设置分隔板对介质进行引流。该优化办法可以高效减少机油散热器水阻，满足柴油发电机组整机匹配的要求。