內(nèi)燃機(jī)活塞內(nèi)冷油腔內(nèi)兩相流的流動(dòng)與換熱機(jī)理研究.pdf

1、隨著內(nèi)燃機(jī)強(qiáng)化程度的不斷提高，活塞熱負(fù)荷問題凸顯。解決活塞熱負(fù)荷問題已成為內(nèi)燃機(jī)強(qiáng)化提高的瓶頸問題。采用活塞強(qiáng)化冷卻技術(shù)是解決該問題最有效的手段之一。目前，內(nèi)燃機(jī)活塞普遍采用內(nèi)冷油腔結(jié)構(gòu)，冷卻油與空氣形成的兩相流在油腔里不斷振蕩可以形成強(qiáng)化換熱的效果。因此，內(nèi)冷油腔內(nèi)兩相流流動(dòng)和傳熱已成為近年來研究的熱點(diǎn)，但目前缺乏機(jī)理研究。
　　本文致力于活塞的傳熱系統(tǒng)研究，利用計(jì)算流體學(xué)基礎(chǔ)和活塞溫度場(chǎng)有限元分析系統(tǒng)，在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上創(chuàng)

2、新性的提出了油腔中兩相流循環(huán)特性的若干假設(shè)，并建立了噴嘴的噴油模型;通過開發(fā)專門的瞬態(tài)機(jī)油打靶可視化試驗(yàn)平臺(tái)，將試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合有限元模擬、CFD模擬、動(dòng)力學(xué)分析及推導(dǎo)計(jì)算等方法確定出兩相流體傳熱的初始條件和邊界條件，提出了油腔內(nèi)兩相流振蕩流動(dòng)特性的主要影響因素，建立了帶有修正項(xiàng)的對(duì)流換熱準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，揭示了內(nèi)冷油腔內(nèi)兩相流的流動(dòng)與換熱的機(jī)理，從而為活塞冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了直接可靠的計(jì)算依據(jù)，并為發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提升奠定了理論基礎(chǔ)。
　

3、　論文的主要研究工作如下:
　　1.內(nèi)冷油腔冷卻噴嘴射流特性研究
　　通過搭建噴嘴噴流試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)不同噴油壓力和噴油溫度時(shí)的冷卻噴嘴噴流進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了內(nèi)冷油腔進(jìn)油口捕捉率與噴嘴出口到噴流截面距離之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn):噴油壓力越大，噴油溫度越高，噴油油束的發(fā)散角越大，從而影響內(nèi)冷油腔的回流量。另外根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，冷卻噴嘴噴流為層流射流。
　　在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對(duì)噴嘴噴流進(jìn)行仿真計(jì)算分析，探討噴嘴噴流壓力、

4、噴流速度和噴流距離、噴流半徑等之間的關(guān)系。模擬結(jié)果顯示:噴口附近核心區(qū)速度的最大值在偏移中心0.2-0.6mm的地方，且隨著壓力增加，核心區(qū)速度最大值的速度梯度增大;隨噴流截面和噴口距離的增加，截面軸心速度的作用越來越小，噴流徑向截面速度的衰減越來越平緩，且噴流截面速度隨噴流徑向截面位置的改變，其分布規(guī)律具有相似性;流體噴入空氣后，距離噴嘴0～28.6mm內(nèi)，噴流速度隨距離增加而逐漸衰減，隨著射流的進(jìn)一步發(fā)展，在距離噴口28.6mm附近

5、，機(jī)油與空氣進(jìn)行的質(zhì)量和能量劇烈交換，截面軸心速度衰減加劇，造成噴流速度急劇下降。另外，研究顯示噴嘴噴油量對(duì)內(nèi)冷油腔環(huán)形腔內(nèi)的靜態(tài)填充有很大的影響。
　　最后，建立了冷卻液由噴嘴噴出到油腔入口段的集束層流非淹沒射流模型，得到了流速、流量、噴油壓力、噴嘴半徑以及擴(kuò)展角在各截面處的關(guān)系以及截面軸心速度與噴流距離等的變化規(guī)律。
　　2.內(nèi)冷油腔內(nèi)兩相流動(dòng)態(tài)特性的試驗(yàn)研究
　　為了揭示各因素對(duì)兩相流流型的影響程度及相應(yīng)的流型轉(zhuǎn)

6、換機(jī)制，采用試驗(yàn)手段對(duì)兩相流的流動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了探討?？紤]活塞運(yùn)動(dòng)對(duì)流動(dòng)形態(tài)的影響，對(duì)內(nèi)冷油腔內(nèi)兩相流流動(dòng)形態(tài)的形成及轉(zhuǎn)變進(jìn)行理論分析，提出了面積覆蓋率的概念，建立了兩相流流動(dòng)形態(tài)的預(yù)測(cè)模型，并對(duì)內(nèi)冷油腔內(nèi)兩相流的傳熱強(qiáng)度進(jìn)行判定。
　　開發(fā)了一種動(dòng)態(tài)可視化打靶試驗(yàn)臺(tái)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)冷油腔內(nèi)流體的流動(dòng)形態(tài)。通過拍攝設(shè)備直接觀測(cè)內(nèi)冷油腔內(nèi)兩相流的流動(dòng)形態(tài)，對(duì)比出不同轉(zhuǎn)速、噴流壓力、噴流溫度、靜態(tài)填充率、內(nèi)冷油腔大小和截面形狀等條件下內(nèi)冷

7、油腔內(nèi)兩相流流動(dòng)形態(tài)的變化。結(jié)果顯示:發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，內(nèi)冷油腔內(nèi)兩相流以波狀流為主，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加，“液塞”現(xiàn)象越明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，機(jī)油振蕩越劇烈，內(nèi)冷油腔內(nèi)兩相流流動(dòng)形態(tài)越復(fù)雜;噴油溫度的不同直接導(dǎo)致了機(jī)油粘度的改變。隨著機(jī)油粘度增大，內(nèi)冷油腔內(nèi)流型轉(zhuǎn)變加速，使得內(nèi)冷油腔內(nèi)出現(xiàn)“液塞”現(xiàn)象所需的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低;內(nèi)冷油腔的截面形狀對(duì)其運(yùn)動(dòng)形態(tài)影響較大，腰形內(nèi)冷油腔內(nèi)的兩相流分布比較規(guī)律，內(nèi)冷油腔上行時(shí)，右側(cè)的機(jī)油比較早的撞向油

8、腔頂部，下行時(shí)，則是左側(cè)比較早的撞向底部，橢圓形內(nèi)冷油腔內(nèi)的機(jī)油，形成“液塞”趨勢(shì)的位置比較多，而水滴形內(nèi)冷油腔下行時(shí)，大多數(shù)循環(huán)中都是靠近內(nèi)冷油腔進(jìn)出油口的機(jī)油先向下形成“液塞”，從而中間形成一個(gè)比較大的空氣區(qū)。相比之下，噴油壓力對(duì)油腔內(nèi)的流動(dòng)影響可忽略不計(jì)。
　　綜合來看，內(nèi)冷油腔腔內(nèi)兩相流流動(dòng)形態(tài)的主要影響因素為填充率、油腔形狀和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
　　3.內(nèi)冷油腔內(nèi)兩相流動(dòng)態(tài)特性的數(shù)值研究
　　通過CFD計(jì)算模型對(duì)內(nèi)

9、冷油腔內(nèi)兩相流的流動(dòng)進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比了不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、噴流壓力、噴流溫度、內(nèi)冷油腔大小和截面形狀等條件下，內(nèi)冷油腔內(nèi)兩相流的面積覆蓋率及傳熱特性，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。
　　結(jié)果表明:內(nèi)冷油腔上下壁面的傳熱系數(shù)隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律相反，內(nèi)外壁面的傳熱規(guī)律則呈現(xiàn)一致性;噴油溫度不同，機(jī)油的黏溫特性不同，從而影響內(nèi)冷油腔內(nèi)的面積覆蓋率及其傳熱特性;轉(zhuǎn)速不同，機(jī)油在內(nèi)冷油腔內(nèi)的振蕩強(qiáng)度不同，從而改變內(nèi)冷油腔內(nèi)的湍流強(qiáng)度及其變傳熱

10、特性;油腔結(jié)構(gòu)不同，直接影響機(jī)油填充率及其在往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)油腔壁面的沖刷程度，從而影響換熱效果。
　　4.內(nèi)冷油腔綜合傳熱模型的建立
　　從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬結(jié)果，利用管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流基礎(chǔ)關(guān)聯(lián)式，在努謝爾特、普朗特和雷諾準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上運(yùn)用最小二乘法擬合出帶有修正項(xiàng)的準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式，建立了瞬時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)的預(yù)測(cè)模型。
　　模型建立過程中發(fā)現(xiàn):對(duì)于內(nèi)燃機(jī)活塞內(nèi)冷油腔，發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速內(nèi)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，流體的

11、粘性底層厚度減小;不同缸徑任意發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，粘性底層厚度都大于內(nèi)冷油腔管壁的粗糙度;相同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，隨缸徑增加，粘性底層厚度減小;雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)乘積的自然對(duì)數(shù)值僅和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，而且隨其增加而增大。
　　通過數(shù)值法對(duì)假設(shè)條件、忽略因素、非穩(wěn)定性等進(jìn)行影響程度分析，并通過有限元分析結(jié)合硬度塞測(cè)溫試驗(yàn)對(duì)關(guān)聯(lián)式計(jì)算得到的傳熱系數(shù)進(jìn)行誤差分析，確保計(jì)算方法、結(jié)果的準(zhǔn)確性和適用性。結(jié)果顯示，內(nèi)冷油腔傳熱系數(shù)預(yù)測(cè)模型可以有效預(yù)測(cè)不同發(fā)動(dòng)

12、機(jī)轉(zhuǎn)速、缸徑、機(jī)油溫度時(shí)活塞內(nèi)冷油腔內(nèi)流體的對(duì)流傳熱系數(shù)，可為活塞內(nèi)冷油腔的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。結(jié)合試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬結(jié)果還可以得知，內(nèi)冷油腔往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不同曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)的傳熱系數(shù)可以在此關(guān)聯(lián)式的基礎(chǔ)上通過壁面的面積覆蓋率進(jìn)行修正。
　　5.內(nèi)冷油腔的換熱特性對(duì)活塞可靠性的影響
　　結(jié)合硬度塞測(cè)溫試驗(yàn)，利用有限元分析軟件、疲勞分析軟件和動(dòng)力學(xué)分析軟件，模擬內(nèi)冷油腔對(duì)活塞熱負(fù)荷的影響，分析探討了油腔位置對(duì)活塞熱負(fù)荷的影響，內(nèi)冷油腔

13、的設(shè)置對(duì)活塞二階運(yùn)動(dòng)的影響，以及鑲?cè)?nèi)冷一體新型活塞結(jié)構(gòu)對(duì)活塞強(qiáng)度的影響。冷卻效果證明內(nèi)冷油腔的使用可大大降低整個(gè)活塞的溫度，而且在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)，內(nèi)冷油腔在活塞頭部的位置越高，活塞頭部冷卻效果越好，熱負(fù)荷越低。研究還發(fā)現(xiàn)，內(nèi)冷油腔的使用可降低活塞運(yùn)行過程中的變形量，并減小活塞與缸套之間的作用力，從而明顯改善活塞的摩擦磨損、側(cè)向力及裙部壓力等。但是，活塞的二階運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性會(huì)有所降低，同時(shí)也會(huì)增大活塞的敲擊噪聲，因此還需要對(duì)活塞的裙部

14、型線進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。對(duì)新型內(nèi)冷油腔結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，鑲?cè)?nèi)冷一體的結(jié)構(gòu)能更好的避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，既可以通過內(nèi)冷油腔降低整個(gè)活塞的熱負(fù)荷，又可以通過使用鑲?cè)硖岣攮h(huán)槽的耐磨性以及第一環(huán)槽和燃燒室的強(qiáng)度。
　　綜合以上研究可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)冷油腔的傳熱效率影響了活塞的熱負(fù)荷，內(nèi)冷油腔內(nèi)兩相流的流動(dòng)形態(tài)與其傳熱規(guī)律有密切聯(lián)系。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、噴油壓力、噴油溫度、內(nèi)冷油腔截面大小等影響因素直接或者間接的影響了兩相流的流動(dòng)形態(tài)，兩相流的流動(dòng)形態(tài)直接反映