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1、氣缸蓋在工作過(guò)程中承受著高強(qiáng)度的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷,是保證柴油機(jī)正常工作的主要零件之一,同時(shí)存在進(jìn)、排氣和冷卻液的流場(chǎng)、高溫燃?xì)猱a(chǎn)生的溫度場(chǎng)以及螺栓預(yù)緊力和燃?xì)鈮毫Ξa(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)。在氣缸蓋傳統(tǒng)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值計(jì)算中,氣缸蓋溫度場(chǎng)邊界條件的施加方法有兩種:一種是采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算,這種方法誤差較大;另一種方法是單獨(dú)進(jìn)行流體域分析,其結(jié)果作為固體域分析所需的邊界條件,這種方法十分繁雜。本文針對(duì)上述問(wèn)題,將冷卻液的流場(chǎng)和氣缸蓋進(jìn)
2、行熱-流耦合計(jì)算,獲得氣缸蓋溫度場(chǎng);然后將此溫度場(chǎng)和螺栓預(yù)緊力及燃?xì)鈮毫Ξa(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)耦合在一起進(jìn)行求解,實(shí)現(xiàn)了冷卻液(流)、氣缸蓋(固)、冷卻液和氣缸蓋之間的傳熱(熱)耦合,簡(jiǎn)化了邊界條件復(fù)雜的定義過(guò)程,提高了計(jì)算精度。
本文以某V型12缸柴油機(jī)為例,以氣缸蓋的一個(gè)整缸和兩個(gè)半缸作為熱-流耦合系統(tǒng)的固體域,將氣缸蓋冷卻液與機(jī)體冷卻液看作一個(gè)整體并將其作為熱-流耦合系統(tǒng)的流體域,運(yùn)用整場(chǎng)離散、整場(chǎng)求解方法,對(duì)氣缸蓋及冷卻液進(jìn)行了
3、熱-流直接耦合的仿真分析,得到了分析氣缸蓋所需的邊界條件;通過(guò)單元轉(zhuǎn)換完成了熱-流-固耦合分析,使得氣缸蓋流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的仿真分析在單一計(jì)算模型中得以實(shí)現(xiàn);在此基礎(chǔ)上利用熱-流直接耦合方法進(jìn)一步分析了冷卻液質(zhì)量流量、溫度及冷卻水腔壁面粗糙度等參數(shù)對(duì)氣缸蓋溫度場(chǎng)的影響規(guī)律,結(jié)果可為氣缸蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論指導(dǎo),并且可為冷卻系統(tǒng)參數(shù)的確定提供參考。
本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
1)以流體動(dòng)力學(xué)軟件CFX為工具,通
4、過(guò)分析柴油機(jī)氣缸蓋內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)與傳熱的物理過(guò)程,根據(jù)其傳熱規(guī)律和冷卻液的流動(dòng)特點(diǎn),確定所研究的柴油機(jī)在穩(wěn)定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),缸內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬的物理模型為三維、穩(wěn)態(tài)、無(wú)內(nèi)熱源的粘性不可壓縮流體的湍流流動(dòng)與傳熱;其數(shù)學(xué)模型為能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、質(zhì)量守恒方程、方程以及kε方程等7個(gè)方程構(gòu)成的封閉方程組。在對(duì)燃燒室及其它外表面進(jìn)行適當(dāng)分區(qū)的基礎(chǔ)上,針對(duì)不同區(qū)域施加不同的換熱邊界條件:以等效燃?xì)鉁囟茸鳛槿紵冶砻姝h(huán)境溫度;氣缸蓋外表面
5、及進(jìn)排氣道區(qū)域邊界條件參照同類機(jī)型及經(jīng)驗(yàn)公式獲得。流動(dòng)邊界條件采用最為穩(wěn)健的進(jìn)出口邊界條件組合方式,即速度/質(zhì)量流量作為入口邊界條件,壓力作為出口邊界條件。采用標(biāo)準(zhǔn)ε?k兩方程湍流模型,利用控制容積方法對(duì)耦合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散求解,得到了耦合系統(tǒng)的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)。將該耦合系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果與相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果表明該方法是可行的。
2)運(yùn)用有限元軟件ANSYS,在氣缸蓋與冷卻液耦合計(jì)算的基礎(chǔ)上,將熱流分析單元轉(zhuǎn)換成可
6、進(jìn)行熱應(yīng)力及機(jī)械應(yīng)力計(jì)算的結(jié)構(gòu)分析單元,然后在該轉(zhuǎn)化模型中對(duì)氣缸蓋在預(yù)緊力、預(yù)緊力-爆發(fā)壓力、預(yù)緊力-熱應(yīng)力-爆發(fā)壓力三種工況下進(jìn)行熱-固耦合數(shù)值模擬,得到氣缸蓋的應(yīng)力和變形分布,滿足氣缸蓋結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度要求,為氣缸蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了理論依據(jù)。
3)通過(guò)設(shè)置不同冷卻液入口質(zhì)量流量、冷卻液入口溫度、冷卻水腔壁面粗糙度對(duì)氣缸蓋進(jìn)行熱-流耦合計(jì)算,分析了不同參數(shù)對(duì)冷卻流場(chǎng)流動(dòng)與傳熱的影響,獲得了不同冷卻液質(zhì)量流量對(duì)氣缸蓋及冷卻液壁面
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