四缸柴油機(jī)缸蓋傳熱研究.pdf

1、隨著柴油機(jī)的不斷強(qiáng)化，氣缸蓋的傳熱與熱負(fù)荷成為一個(gè)非常重要的研究方向。本文以四缸柴油機(jī)為研究對(duì)象，從工程應(yīng)用的角度出發(fā)，圍繞柴油機(jī)缸蓋傳熱展開全面的研究。建立氣缸蓋有限元模型、三維燃燒計(jì)算模型與冷卻水套模型，利用氣固耦合的方法得到燃?xì)鈧?cè)換熱系數(shù)與溫度邊界，利用液固耦合的方法相互提供各自的熱邊界條件，應(yīng)用前后處理軟件，編寫解算程序，對(duì)各仿真模型缸蓋溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。對(duì)冷卻液側(cè)、燃?xì)鈧?cè)采用不同邊界的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并考慮沸騰對(duì)冷

2、卻液側(cè)換熱系數(shù)的影響展開初步研究。最后通過Flowmaster2軟件對(duì)柴油機(jī)整個(gè)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行一維冷卻計(jì)算分析，結(jié)合Excel軟件的VB語言，分析整個(gè)冷卻系統(tǒng)的匹配情況，使整個(gè)冷卻系統(tǒng)各零件參數(shù)匹配合理。本論文共分為七章，包括以下內(nèi)容： 回顧了國內(nèi)外發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋傳熱中占重要地位的冷卻水套研究現(xiàn)狀以及CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))軟件技術(shù)的發(fā)展并介紹使用到的CFD、FEA(有限元分析)商業(yè)軟件，提出了本課題研究的目的及主要研究內(nèi)容。針對(duì)目前

3、國內(nèi)缸蓋傳熱研究的現(xiàn)狀，應(yīng)用CFD分析方法重點(diǎn)對(duì)冷卻水套展開仿真研究，并利用流固耦合的方法實(shí)現(xiàn)缸蓋的溫度場(chǎng)分析。 介紹柴油機(jī)冷卻水套CFD分析流程，流程包括三維幾何分析模型的建立、計(jì)算網(wǎng)格的劃分、流體動(dòng)力學(xué)控制方程、湍流模型及計(jì)算方法的選用，確定物理模型、計(jì)算方法和邊界條件后求解，結(jié)果收斂后進(jìn)行后處理，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。 對(duì)四缸柴油機(jī)冷卻水套進(jìn)行詳細(xì)的CFD分析，水套冷卻液流動(dòng)和冷卻特性分析主要通過各區(qū)域流量分布、溫度

4、分布、換熱系數(shù)、壓力損失進(jìn)行。通過速度場(chǎng)識(shí)別出滯止區(qū)、速度梯度大的區(qū)域，通過溫度分布分析可能產(chǎn)生氣泡引起開鍋的位置，通過換熱系數(shù)的分布評(píng)估水套的冷卻性能，通過壓力分布顯示出壓力損失大的區(qū)域。并最終通過簡(jiǎn)要水流場(chǎng)試驗(yàn)，觀測(cè)缸蓋頂部流動(dòng)情況并與CFD計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析。 針對(duì)CFD分析結(jié)果，提出各種改進(jìn)方案，包括將缸體水套流動(dòng)方式由縱流改為橫流以及對(duì)各缸墊水孔直徑進(jìn)行改進(jìn)，以提高各缸上水均勻性及改善流動(dòng)，利用CFD分析手段對(duì)各改進(jìn)方案

5、進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，以找到比較合理的方案。 利用已有的性能試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)定了計(jì)算用的放熱規(guī)律，進(jìn)行零維計(jì)算，為FEA計(jì)算與三維燃燒計(jì)算提供邊界條件。建立三維燃燒計(jì)算模型進(jìn)行燃燒計(jì)算，進(jìn)行氣固耦合分析，為缸蓋燃燒室區(qū)域提供更真實(shí)的熱邊界，對(duì)缸蓋水套分是否考慮沸騰進(jìn)行CFD計(jì)算，為缸蓋溫度場(chǎng)分析提供不同的冷卻液側(cè)熱邊界，進(jìn)行初次溫度場(chǎng)計(jì)算。 將各仿真模型通過FEA分析得到的水套壁面溫度作為進(jìn)一步CFD計(jì)算的真實(shí)壁面邊界，映射出更真實(shí)的

6、冷卻液側(cè)熱邊界，實(shí)現(xiàn)三維流固耦合分析，對(duì)缸蓋溫度場(chǎng)做進(jìn)一步評(píng)價(jià)。計(jì)算表明采用流固耦合分析算出的結(jié)果最接近測(cè)試溫度。在此研究方法基礎(chǔ)上對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行同樣的流固耦合計(jì)算，得到改進(jìn)方案的溫度場(chǎng)與熱應(yīng)力，并進(jìn)行汽化試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到解決缸蓋熱裂紋故障的目的。 利用三維CFD分析結(jié)果做為邊界條件，應(yīng)用Flowmaster2軟件對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行一維分析計(jì)算，并結(jié)合EXCEL軟件中的VB編程對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)的匹配情況進(jìn)行評(píng)估分析，以確定合理的風(fēng)扇、水