高功率密度柴油機(jī)共軛傳熱基礎(chǔ)問題研究.pdf

1、內(nèi)燃機(jī)整機(jī)耦合仿真思想的提出至今已有20余年，近年來發(fā)展速度較快并逐漸成為指導(dǎo)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的重要手段。盡管國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者應(yīng)用該思想對(duì)多種機(jī)型進(jìn)行了數(shù)值分析，然而至今還未能實(shí)現(xiàn)在統(tǒng)一的求解器中對(duì)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等多物理場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，仍然需要在不同的求解器中進(jìn)行迭代。同時(shí)，內(nèi)燃機(jī)功率密度的不斷提高導(dǎo)致其熱負(fù)荷水平的激增，為了有效控制高功率密度內(nèi)燃機(jī)較高的熱負(fù)荷對(duì)燃燒室組件可靠性的不利影響，同時(shí)優(yōu)化整機(jī)性能，必須深入開展高功率密度條件下流

2、動(dòng)與傳熱的基礎(chǔ)問題研究。
　　本文以高功率密度內(nèi)燃機(jī)高轉(zhuǎn)速、高增壓、高強(qiáng)度燃燒的特點(diǎn)為背景，建立了缸內(nèi)工質(zhì)循環(huán)的零維和多維數(shù)值模型，重點(diǎn)開展了缸內(nèi)瞬時(shí)傳熱模型研究、高熱流密度下燃燒室組件材料熱物性的非線性效應(yīng)研究，在此基礎(chǔ)上建立了缸內(nèi)燃?xì)?燃燒室組件-冷卻介質(zhì)的共軛傳熱數(shù)值計(jì)算模型，較深入地研究了燃燒、冷卻、材料、結(jié)構(gòu)等因素對(duì)高功率密度柴油機(jī)燃燒室組件熱狀態(tài)的影響規(guī)律。主要研究?jī)?nèi)容及所得的重要結(jié)論包括:
　　1、基于熱力學(xué)、

3、流體力學(xué)、傳質(zhì)傳熱學(xué)和化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建立了缸內(nèi)工質(zhì)循環(huán)過程的數(shù)值計(jì)算模型，比較了零維模型和多維模型在計(jì)算結(jié)果上的差異，并分析了兩種模型的優(yōu)勢(shì)和不足，為后續(xù)研究燃?xì)鈧?cè)邊界條件的修正方法提供了理論依據(jù)。
　　2、開展了缸內(nèi)瞬態(tài)傳熱模型的研究。對(duì)比分析了零維模型中幾種常用經(jīng)驗(yàn)公式在不同機(jī)型上的適用性以及多維模型中壁面函數(shù)法在燃燒室組件溫度場(chǎng)計(jì)算中的適用性，在此基礎(chǔ)上提出了適用于高功率密度柴油機(jī)傳熱計(jì)算的新的經(jīng)驗(yàn)公式以及分布函數(shù)，并用試驗(yàn)

4、數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　研究結(jié)果表明，隨著熱流密度的增加，利用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行燃燒室組件溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大相對(duì)誤差接近30％;修正后的經(jīng)驗(yàn)公式及其分布函數(shù)在高功率密度柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算中獲得了較好的應(yīng)用，與試驗(yàn)測(cè)試值的偏差小于5％。
　　3、收集和測(cè)試了燃燒室組件特殊材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、熱膨脹系數(shù)、密度等熱物性隨溫度變化的特征數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了高熱流密度條件下平板模型的非線性傳熱本構(gòu)方程的解析解與數(shù)值

5、解的差異，掌握了不同熱流密度傳熱條件下平板內(nèi)部溫度分布的變化規(guī)律，并通過感應(yīng)加熱平板試驗(yàn)驗(yàn)證了材料物性的非線性效應(yīng)。隨后對(duì)活塞等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件的導(dǎo)熱過程分別開展了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下的數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)研究。
　　研究結(jié)果表明，當(dāng)熱流密度超過1500kW/m2時(shí)，常物性設(shè)置與變物性設(shè)置所得到的計(jì)算結(jié)果之間的最大相對(duì)誤差超過10％;在大規(guī)模計(jì)算時(shí)，變物性設(shè)置所用的計(jì)算時(shí)間比常物性設(shè)置多出20％～30％;在高功率密度柴油機(jī)共軛傳熱計(jì)算中，活塞

6、、缸蓋、缸套等熱負(fù)荷水平較高的零部件，其熱物性需要設(shè)置為階梯函數(shù)形式。
　　4、建立了缸內(nèi)氣體-燃燒室組件-冷卻介質(zhì)的共軛傳熱數(shù)值計(jì)算模型。該模型將上述研究所獲得的缸內(nèi)瞬時(shí)傳熱模型、固體區(qū)域非線性導(dǎo)熱模型結(jié)合在一起，獲得了較高精度的數(shù)值解。同時(shí)在某試驗(yàn)機(jī)型上開展了整機(jī)熱狀態(tài)測(cè)量試驗(yàn)，測(cè)試了燃燒室組件的溫度分布狀態(tài)，驗(yàn)證了仿真計(jì)算的精度。
　　研究結(jié)果表明，該模型能顯著提升高功率密度柴油機(jī)燃燒室組件傳熱計(jì)算的精度，仿真計(jì)算結(jié)果

7、與試驗(yàn)值之間的偏差小于5％，而傳統(tǒng)模型的仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值之間的偏差接近30％。
　　5、在仿真計(jì)算中，通過改變熱側(cè)和冷側(cè)的邊界條件，計(jì)算分析了燃燒和冷卻因素對(duì)燃燒室組件熱狀態(tài)的影響;通過改變?nèi)紵医M件結(jié)構(gòu)和材料熱物性，計(jì)算分析了結(jié)構(gòu)、材料等因素對(duì)燃燒室熱狀態(tài)的影響。根據(jù)以上分析結(jié)果，梳理了燃燒、冷卻、結(jié)構(gòu)和材料各因素對(duì)燃燒室組件熱狀態(tài)的耦合影響規(guī)律。
　　研究結(jié)果表明，在諸多因素中，冷卻液流量對(duì)燃燒室組件熱狀態(tài)影響最為明