低速二沖程柴油機活塞熱負荷流固耦合分析.pdf

1、活塞作為船用柴油機的關(guān)鍵受熱部件之一，承受著極高的周期性變化的熱負荷和機械負荷，可靠性受到極大考驗。隨著柴油機強化程度的提高，活塞所承受的熱負荷也明顯增加。低速二沖程柴油機轉(zhuǎn)速低，燃燒持續(xù)時間長，活塞表面承受的熱流密度大，活塞熱負荷高。因此準確的活塞熱負荷分析是進行活塞優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。低速二沖程柴油機采用兩個或三個噴油器噴射燃油，火焰分布不均勻，導致活塞上表面所承受熱流密度不均勻?；钊纳嶂饕捎颓粌?nèi)的冷卻油振蕩完成，散熱過程涉及冷卻

2、油的兩相流和復雜運動過程?？梢姷退俣_程柴油機活塞的受熱和散熱過程非常復雜，基于經(jīng)驗公式和半經(jīng)驗公式的零維模型和準維模型確定活塞頂面熱邊界條件的方法是無法體現(xiàn)這樣的復雜換熱過程的。為了使活塞傳熱過程分析的邊界條件更接近真實情況，本文采用流固耦合的方法對某低速二沖程船用柴油機活塞進行了熱分析和應(yīng)力分析。分別應(yīng)用三維CFD計算得到燃燒室內(nèi)燃燒放熱過程邊界條件和冷卻油腔內(nèi)的散熱邊界條件，將這些邊界條件加載與有限元分析模型中進行活塞熱分析。

3、r>　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴根據(jù)二維工程圖紙，建立了活塞和冷卻油腔的幾何模型。應(yīng)用三維 CFD軟件對缸內(nèi)工作過程和冷卻油腔的多相流振蕩換熱過程進行了數(shù)值模擬，并根據(jù)工作介質(zhì)流速、換熱系數(shù)和溫度的分布情況評估了活塞頂面和冷卻油腔的換熱效果。⑵建立了活塞三維有限元分析模型，將活塞頂面和冷卻油腔的換熱邊界條件加載，完成了柴油機穩(wěn)定運行在100%負荷時活塞的溫度場計算。通過對比分析活塞的溫度場，評估了活塞的熱負荷大小及分布情況。根據(jù)計算結(jié)果，

4、預測了活塞可能出現(xiàn)的失效形式和失效位置，并針對熱負荷過高的區(qū)域提出降低熱負荷的解決辦法。本文采用的三維邊界條件加載方法所得結(jié)果反映了低速二沖程柴油機活塞頂面溫度場分布沿圓周方向分布的不均勻性特征，圓周方向的溫度波動最大超過了100℃。⑶在溫度場計算的基礎(chǔ)上，綜合考慮缸內(nèi)爆發(fā)壓力、螺栓預緊力以及慣性力的影響，對活塞進行熱-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力場分析，計算了最大爆發(fā)壓力時刻活塞的應(yīng)力分布情況及變形情況。通過對活塞的應(yīng)力及變形進行分析，評估了活塞的可