低速二沖程柴油機(jī)活塞熱負(fù)荷流固耦合分析.pdf

1、活塞作為船用柴油機(jī)的關(guān)鍵受熱部件之一，承受著極高的周期性變化的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，可靠性受到極大考驗(yàn)。隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度的提高，活塞所承受的熱負(fù)荷也明顯增加。低速二沖程柴油機(jī)轉(zhuǎn)速低，燃燒持續(xù)時(shí)間長，活塞表面承受的熱流密度大，活塞熱負(fù)荷高。因此準(zhǔn)確的活塞熱負(fù)荷分析是進(jìn)行活塞優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。低速二沖程柴油機(jī)采用兩個(gè)或三個(gè)噴油器噴射燃油，火焰分布不均勻，導(dǎo)致活塞上表面所承受熱流密度不均勻。活塞的散熱主要由油腔內(nèi)的冷卻油振蕩完成，散熱過程涉及冷卻

2、油的兩相流和復(fù)雜運(yùn)動過程?？梢姷退俣_程柴油機(jī)活塞的受熱和散熱過程非常復(fù)雜，基于經(jīng)驗(yàn)公式和半經(jīng)驗(yàn)公式的零維模型和準(zhǔn)維模型確定活塞頂面熱邊界條件的方法是無法體現(xiàn)這樣的復(fù)雜換熱過程的。為了使活塞傳熱過程分析的邊界條件更接近真實(shí)情況，本文采用流固耦合的方法對某低速二沖程船用柴油機(jī)活塞進(jìn)行了熱分析和應(yīng)力分析。分別應(yīng)用三維CFD計(jì)算得到燃燒室內(nèi)燃燒放熱過程邊界條件和冷卻油腔內(nèi)的散熱邊界條件，將這些邊界條件加載與有限元分析模型中進(jìn)行活塞熱分析。

3、r>　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴根據(jù)二維工程圖紙，建立了活塞和冷卻油腔的幾何模型。應(yīng)用三維 CFD軟件對缸內(nèi)工作過程和冷卻油腔的多相流振蕩換熱過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并根據(jù)工作介質(zhì)流速、換熱系數(shù)和溫度的分布情況評估了活塞頂面和冷卻油腔的換熱效果。⑵建立了活塞三維有限元分析模型，將活塞頂面和冷卻油腔的換熱邊界條件加載，完成了柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在100%負(fù)荷時(shí)活塞的溫度場計(jì)算。通過對比分析活塞的溫度場，評估了活塞的熱負(fù)荷大小及分布情況。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，

4、預(yù)測了活塞可能出現(xiàn)的失效形式和失效位置，并針對熱負(fù)荷過高的區(qū)域提出降低熱負(fù)荷的解決辦法。本文采用的三維邊界條件加載方法所得結(jié)果反映了低速二沖程柴油機(jī)活塞頂面溫度場分布沿圓周方向分布的不均勻性特征，圓周方向的溫度波動最大超過了100℃。⑶在溫度場計(jì)算的基礎(chǔ)上，綜合考慮缸內(nèi)爆發(fā)壓力、螺栓預(yù)緊力以及慣性力的影響，對活塞進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合應(yīng)力場分析，計(jì)算了最大爆發(fā)壓力時(shí)刻活塞的應(yīng)力分布情況及變形情況。通過對活塞的應(yīng)力及變形進(jìn)行分析，評估了活塞的可