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

1、內(nèi)燃機受熱零部件的傳熱和熱狀態(tài)研究是內(nèi)燃機熱疲勞可靠性和熱平衡研究的基礎(chǔ)。隨著現(xiàn)代計算技術(shù)的發(fā)展，基于控制容積法的有限元方法已經(jīng)可以實現(xiàn)流體與固體的耦合傳熱與流動數(shù)值仿真。本文在分析發(fā)動機主要受熱零件傳熱仿真研究特點的基礎(chǔ)上，建立了內(nèi)燃機活塞組—缸套—冷卻水—機體流固耦合系統(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。將原來單個零件傳熱仿真時的外邊界條件變?yōu)閮?nèi)邊界，由有限元軟件進行內(nèi)部處理，使傳熱仿

2、真變得更合理更簡單。應(yīng)用所建立的耦合系統(tǒng)，對算例柴油機穩(wěn)態(tài)工況下的耦合傳熱、周期性瞬態(tài)傳熱以及冷啟動、外特性和負荷特性變工況時的瞬態(tài)傳熱與流動進行了數(shù)值仿真。在此基礎(chǔ)之上，與內(nèi)燃機工作過程程序結(jié)合，對算例柴油機的整機熱平衡進行了仿真，并與實驗結(jié)果做了對比分析。 本文的主要工作內(nèi)容可以概括為以下幾個部分： 1)通過對內(nèi)燃機主要受熱零件傳熱特性的分析，針對干缸套和濕缸套不同的流動與傳熱耦合特點，建立了兩種機型的活塞組—缸套—

3、冷卻水—機體流固耦合傳熱模型。以兩種機型的耦合系統(tǒng)作為算例，對其額定工況和最大轉(zhuǎn)矩工況下的穩(wěn)態(tài)傳熱與流動進行了數(shù)值仿真計算。與額定工況下活塞和缸套溫度場實驗測量結(jié)果比較，數(shù)值仿真和實驗結(jié)果誤差較小，驗證了所建立仿真模型的合理性。 2)針對內(nèi)燃機傳熱問題的高頻周期性，分析了缸內(nèi)燃氣熱狀態(tài)在一個循環(huán)內(nèi)的劇烈變化和活塞的往復(fù)運動特性，建立了活塞一缸套動接觸傳熱模型。并進行了活塞組—缸套—冷卻水—機體耦合系統(tǒng)的周期性瞬態(tài)傳熱仿真計算，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荷的基本分布規(guī)律，并分析了缸內(nèi)工作的周期性對耦合傳熱系統(tǒng)的整體影響。 3)對干缸套算例柴油機的冷啟動工況、外特性和額定轉(zhuǎn)速下的負荷特性等變工況的耦合系統(tǒng)瞬態(tài)傳熱與流動進行了仿真計算。得到了耦合系統(tǒng)的溫度場和流場在發(fā)動機工況變動時隨時間變化的發(fā)展規(guī)律。該規(guī)律性對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)燃機工作