內(nèi)燃機(jī)流固耦合傳熱問(wèn)題數(shù)值仿真與應(yīng)用研究.pdf

1、內(nèi)燃機(jī)受熱零部件的傳熱和熱狀態(tài)研究是內(nèi)燃機(jī)熱疲勞可靠性和熱平衡研究的基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，基于控制容積法的有限元方法已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)流體與固體的耦合傳熱與流動(dòng)數(shù)值仿真。本文在分析發(fā)動(dòng)機(jī)主要受熱零件傳熱仿真研究特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了內(nèi)燃機(jī)活塞組—缸套—冷卻水—機(jī)體流固耦合系統(tǒng)。耦合系統(tǒng)包括了固體與固體之間的耦合傳熱，也包括了流體和固體之間的耦合傳熱與流動(dòng)。將原來(lái)單個(gè)零件傳熱仿真時(shí)的外邊界條件變?yōu)閮?nèi)邊界，由有限元軟件進(jìn)行內(nèi)部處理，使傳熱仿

2、真變得更合理更簡(jiǎn)單。應(yīng)用所建立的耦合系統(tǒng)，對(duì)算例柴油機(jī)穩(wěn)態(tài)工況下的耦合傳熱、周期性瞬態(tài)傳熱以及冷啟動(dòng)、外特性和負(fù)荷特性變工況時(shí)的瞬態(tài)傳熱與流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值仿真。在此基礎(chǔ)之上，與內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程程序結(jié)合，對(duì)算例柴油機(jī)的整機(jī)熱平衡進(jìn)行了仿真，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了對(duì)比分析。 本文的主要工作內(nèi)容可以概括為以下幾個(gè)部分： 1)通過(guò)對(duì)內(nèi)燃機(jī)主要受熱零件傳熱特性的分析，針對(duì)干缸套和濕缸套不同的流動(dòng)與傳熱耦合特點(diǎn)，建立了兩種機(jī)型的活塞組—缸套—

3、冷卻水—機(jī)體流固耦合傳熱模型。以兩種機(jī)型的耦合系統(tǒng)作為算例，對(duì)其額定工況和最大轉(zhuǎn)矩工況下的穩(wěn)態(tài)傳熱與流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算。與額定工況下活塞和缸套溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果比較，數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較小，驗(yàn)證了所建立仿真模型的合理性。 2)針對(duì)內(nèi)燃機(jī)傳熱問(wèn)題的高頻周期性，分析了缸內(nèi)燃?xì)鉄釥顟B(tài)在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的劇烈變化和活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)特性，建立了活塞一缸套動(dòng)接觸傳熱模型。并進(jìn)行了活塞組—缸套—冷卻水—機(jī)體耦合系統(tǒng)的周期性瞬態(tài)傳熱仿真計(jì)算，得

4、到了耦合傳熱條件下，燃燒室主要零部件表層高周熱負(fù)荷的基本分布規(guī)律，并分析了缸內(nèi)工作的周期性對(duì)耦合傳熱系統(tǒng)的整體影響。 3)對(duì)干缸套算例柴油機(jī)的冷啟動(dòng)工況、外特性和額定轉(zhuǎn)速下的負(fù)荷特性等變工況的耦合系統(tǒng)瞬態(tài)傳熱與流動(dòng)進(jìn)行了仿真計(jì)算。得到了耦合系統(tǒng)的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)在發(fā)動(dòng)機(jī)工況變動(dòng)時(shí)隨時(shí)間變化的發(fā)展規(guī)律。該規(guī)律性對(duì)于制定合理的熱管理策略提供了依據(jù)。 4)在活塞組—缸套—冷卻水—機(jī)體耦合系統(tǒng)傳熱仿真結(jié)果基礎(chǔ)之上，在原有的內(nèi)燃機(jī)工作