柴油機(jī)氣缸套冷卻水空化流的數(shù)值模擬.pdf

1、柴油機(jī)氣缸套的空蝕是柴油機(jī)缸套失效的主要形式之一。近年來(lái)，隨著柴油機(jī)功率的增加和高速、輕型化。缸套的空蝕越來(lái)越嚴(yán)重。氣缸套空蝕己成為影響柴油機(jī)的工作可靠性與氣缸套的使用壽命的關(guān)鍵問(wèn)題之一。缸套空蝕和缸套冷卻水空化流的流場(chǎng)特性密切相關(guān)。本文通過(guò)對(duì)缸套冷卻水空化流數(shù)值模擬，揭示缸套冷卻水空化流的流場(chǎng)特征和發(fā)展過(guò)程，分析冷卻水流空化和缸套空蝕的影響因素，研究成果有助于柴油機(jī)缸套空蝕機(jī)理分析和改善缸套抗空蝕。
　　 本文基于計(jì)算流體動(dòng)力

2、學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法，應(yīng)用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，采用水和水蒸汽兩相混合流模型和Singhal提出的完整空化模型建立冷卻水空化流的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)TC231101-87型柴油機(jī)缸套冷卻水腔建立二維和三維幾何模型，對(duì)冷卻水空化流進(jìn)行非定常數(shù)值模擬。結(jié)合空化理論、射流和空泡潰滅理論，研究缸套振動(dòng)對(duì)空泡發(fā)生、發(fā)展、潰滅的影響，揭示了流場(chǎng)特征的發(fā)展情況，分析了缸套空蝕機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明，缸套附近冷卻水空化

3、流的流場(chǎng)特征具有顯著的周期性變化，其波動(dòng)周期與缸套的振動(dòng)周期一致。缸套附近冷卻水流場(chǎng)特性分布不均勻，缸套中上部區(qū)域的壓力波動(dòng)劇烈，表現(xiàn)為脈沖壓力，脈沖壓力峰值達(dá)到約335kPa，此區(qū)域空蝕效果嚴(yán)重。缸套中上部區(qū)域附近水流壓力波動(dòng)引起氣相體積組分劇烈變化，波動(dòng)范圍約為5.4％～0.4％，此局部水流空化效果顯著。
　　 對(duì)缸套振動(dòng)速度和缸套壓力關(guān)系進(jìn)行定量分析，揭示了當(dāng)缸套振動(dòng)速度較低時(shí)，脈沖壓力形成以前，缸套壓力與缸套振動(dòng)速度滿(mǎn)足

4、線性關(guān)系，缸套振動(dòng)加速度決定了壓力變化率的大??；在脈沖壓力形成過(guò)程，缸套壓力與缸套振動(dòng)速度呈指數(shù)關(guān)系。
　　 通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果與缸套空蝕的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，驗(yàn)證了數(shù)值預(yù)測(cè)的可靠性，表明數(shù)值模擬結(jié)果能夠揭示缸套冷卻水空化流流場(chǎng)特征的發(fā)展情況。
　　 定量分析了氣缸套和冷卻系統(tǒng)工況參數(shù)對(duì)缸套冷卻水流場(chǎng)特性和缸套空蝕的影響。缸套振動(dòng)頻率和振幅增大30％，缸套壓力和缸套振動(dòng)速度的線性關(guān)系不受缸套振動(dòng)特性的影響，但水流對(duì)缸套的

5、脈沖壓力作用效果受振動(dòng)頻率和振幅影響顯著。速度和加速度是影響冷卻水流場(chǎng)特性變化的主要因素。不可凝結(jié)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)冷卻水的空化和缸套空蝕有較大影響。不可凝結(jié)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到10-4時(shí)，冷卻水流的氣相體積組分較高，明顯抑制缸套的壓力波動(dòng)，缸套空蝕減弱。隨不可凝結(jié)氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增大，缸套的壓力波動(dòng)趨于平穩(wěn)，冷卻水流的氣相體積組分顯著增大。當(dāng)水溫從50℃升高到701℃，最大變形壁區(qū)的脈沖壓力峰值均較高。水溫升高到90℃，缸套壓力波動(dòng)明顯縮