缸蓋內沸騰傳熱流固耦合模擬及其可靠性研究.pdf

1、過冷沸騰傳熱是缸蓋冷卻水腔中存在的一種重要換熱方式,然而現(xiàn)有的沸騰傳熱模型并沒有考慮局部流動與發(fā)生沸騰時產(chǎn)生氣泡對流動沸騰傳熱的影響,同時也沒有考慮流速項對沸騰換熱量、臨界熱流密度點及空泡份額的影響。因此,應進一步發(fā)展其模型,更加精確地模擬、預測和評價缸蓋冷卻水腔內的沸騰傳熱現(xiàn)象,更加合理的設計缸蓋結構。本文的主要研究內容包括以下幾個部分:
　　 1、在現(xiàn)有的單相流沸騰換熱模型的基礎上,考慮流速對沸騰換熱量和臨界熱流密度點的影響

2、,通過數(shù)學推導建立空泡質量控制方程,利用質量與空泡份額的轉換關系反映兩相流的存在,基于線性疊加原理實現(xiàn)沸騰換熱量的引入,完整描述沸騰換熱曲線,進而建立新的單相均勻流沸騰換熱模型,通過UDF與UDS子程序接口將模型嵌入CFD軟件中進行聯(lián)立求解,利用該模型的模型結果與試驗結果對比表明兩者結果吻合性較好。
　　 2、為方便沸騰換熱的模擬計算,在單相均勻流沸騰換熱模型的基礎上提出一種沸騰換熱的修正算法,通過對單相對流換熱的修正反映沸騰換

3、熱的影響;針對該模型在缸蓋水腔設計中的應用,提出以5mm參考截面高度內的平均空泡份額值作為缸蓋冷卻水腔設計中沸騰換熱應用的極限判據(jù),推薦的合理取值范圍應在[0.20,0.94]之間,完整的建立了沸騰換熱體系。
　　 3、基于流固耦合算法的基本思想,結合缸蓋流動傳熱的特點,在CFD與FEA軟件的基礎上采用C語言與Python語言開發(fā)出一種用于缸蓋冷卻水腔流動傳熱的自動化流固耦合模擬軟件;通過點云快速配準算法與MPCI自動進程控制管

4、理實現(xiàn)耦合面間大規(guī)模數(shù)據(jù)的快速匹配和不同進程之間的自動排隊控制,采用Python語言實現(xiàn)不同軟件接口之間的數(shù)據(jù)傳遞與轉換。以226-B型柴油機為例,將該算法的模擬結果與傳統(tǒng)方法的模擬結果進行對比表明該算法具有足夠的精度,具有重要的應用價值。
　　 4、針對某柴油機缸蓋,采用自行開發(fā)的自動化流固耦合算法對其進行流動傳熱及熱負荷模擬計算分析,得到了壓力場、流場分布,根據(jù)計算結果對冷卻水腔結構進行更改,更改后各缸流動均勻性得到明顯改善

5、,排氣門周圍及噴油器周圍流速得到提高。采用平均空泡份額極限值判據(jù)對冷卻水腔5mm平均空泡份額值進行評判,平均空泡份額值均在極限值[0.20,0.94]之內,說明冷卻水腔內沸騰狀況沒有出現(xiàn)過渡沸騰,不會發(fā)生熱損壞,反映出空泡份額極限值判據(jù)比速度判據(jù)具有更為廣泛的意義。考慮沸騰換熱影響后,沸騰強化傳熱對缸蓋冷卻水腔內傳熱的作用十分明顯,不可忽略。
　　 5、采用三種實現(xiàn)方法利用沸騰換熱修正算法對缸蓋進行溫度場模擬,模擬結果表明三種實

6、現(xiàn)方法的結果具有較好一致性;從模擬迭代收斂時間和實現(xiàn)過程的難易程度上看,采用方法二進行沸騰換熱的修正模擬最為合理。對比單相均勻流沸騰換熱模型與修正算法的模擬結果表明兩種算法的結果具有較好一致性。為驗證數(shù)值模擬的準確性,在距缸蓋火力面6mm處布置3個測點進行溫度場測量試驗。將測量結果與模擬結果進行對比:表明單相均勻流沸騰換熱模型及修正算法都具有足夠的模擬精度。
　　 6、采用有限元分析方法,對缸蓋進行機械、熱機耦合應力模擬并在此基