考慮沸騰傳熱的內(nèi)燃機(jī)流—固耦合及熱負(fù)荷問題的數(shù)值模擬與應(yīng)用研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)強(qiáng)化程度的提高,零部件的工作環(huán)境越來越惡化,因此對(duì)強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)中流動(dòng)、傳熱與熱負(fù)荷的研究需求也日益增多。為了深入地研究?jī)?nèi)燃機(jī)中的流動(dòng)、傳熱及零部件的熱負(fù)荷問題,本文以495ZLQ柴油機(jī)為研究對(duì)象,將缸內(nèi)傳熱、受熱零部件導(dǎo)熱及冷卻系統(tǒng)的流動(dòng)與傳熱過程整體耦合在一起進(jìn)行了內(nèi)燃機(jī)傳熱全仿真模擬與試驗(yàn)研究。本文在冷卻液的沸騰傳熱、流-固耦合傳熱以及受熱零部件的熱-機(jī)械耦合應(yīng)力分析等方面展開大量細(xì)致的研究工作,主要內(nèi)容如下:
　

2、　 (1)從單相流CFD分析出發(fā)研究了兩種適合內(nèi)燃機(jī)冷卻水腔內(nèi)流動(dòng)沸騰傳熱計(jì)算的思路:分區(qū)描述法和疊加計(jì)算法。提出了基于分區(qū)描述法的沸騰模型A和沸騰模型B；對(duì)基于疊加計(jì)算法的Chen沸騰模型和BDL沸騰模型進(jìn)行了修正處理。將這些沸騰傳熱模型以用戶子程序的方式嵌入到商用CFD軟件SC/Tetra中,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)燃機(jī)冷卻水腔內(nèi)復(fù)雜傳熱過程更為精確的模擬。
　　 (2)利用沸騰傳熱子程序?qū)?jiǎn)化的缸蓋鼻梁區(qū)水腔流道進(jìn)行沸騰傳熱計(jì)算,

3、并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,得出了用于冷卻水腔內(nèi)沸騰傳熱計(jì)算的最佳數(shù)學(xué)模型組合,從流動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)兩方面分析了影響沸騰傳熱性能的主要因素,為合理地評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)冷卻水腔的結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。
　　 (3)采用直接耦合法建立了495ZLQ柴油機(jī)機(jī)體-缸蓋-缸套-缸墊-冷卻水腔的三維流-固耦合模型。提出了利用內(nèi)燃機(jī)工作過程仿真和臺(tái)架性能試驗(yàn)相結(jié)合的方法來確定流-固耦合傳熱計(jì)算時(shí)燃?xì)鈧?cè)的傳熱邊界條件。分別進(jìn)行了考慮沸騰傳熱和不考慮沸騰

4、傳熱的計(jì)算,得到了冷卻水腔內(nèi)速度、壓力、傳熱系數(shù)以及主要受熱零部件的溫度分布情況。通過對(duì)比分析可知,沸騰傳熱因素對(duì)冷卻水腔內(nèi)流動(dòng)和壓力分布的影響很小,但對(duì)水腔內(nèi)的傳熱影響較大,不可忽略。
　　 (4)通過對(duì)4105QF柴油機(jī)的溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證了內(nèi)燃機(jī)流-固耦合傳熱分析的建模方法、所采用的數(shù)學(xué)模型(湍流模型、沸騰傳熱模型等)以及邊界條件的處理方法的可行性和準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)495ZLQ柴油機(jī)流-固耦合傳

5、熱計(jì)算結(jié)果對(duì)其水腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),提出三種改進(jìn)方案并進(jìn)行模擬計(jì)算,其中改進(jìn)方案3最終被確定為較為理想的改進(jìn)方案。
　　 (5)闡述了內(nèi)燃機(jī)熱-機(jī)械耦合應(yīng)力分析的主要數(shù)值解法,提出弱耦合分析法下3種數(shù)據(jù)傳遞的方法,開發(fā)了CFD軟件SC/Tetra與有限元分析軟件ANSYS之間的接口程序,以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的映射過程。
　　 (6)建立了機(jī)體-缸蓋-缸墊-缸套-飛輪殼-主軸承蓋-各緊固螺栓的495ZLQ柴油機(jī)組件有限元模型,

6、并采用體映射法將考慮沸騰傳熱的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)結(jié)果映射到該有限元模型中。分別計(jì)算了柴油機(jī)組件在預(yù)緊和工作工況下的應(yīng)力與變形情況。預(yù)緊工況下鋼質(zhì)氣缸墊的壓力分布結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,證明了該組件有限元模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,提出了一系列新的用于評(píng)價(jià)氣缸套、機(jī)體等零部件變形的評(píng)價(jià)指標(biāo),利用這些評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)受熱零部件在機(jī)械載荷和溫度載荷共同作用下的應(yīng)力與變形情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析。計(jì)算結(jié)果表明,由溫度載荷引起的熱應(yīng)力對(duì)柴油機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度有著很大的