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

1、隨著現(xiàn)代內(nèi)燃機強化程度的提高,零部件的工作環(huán)境越來越惡化,因此對強化內(nèi)燃機中流動、傳熱與熱負荷的研究需求也日益增多。為了深入地研究內(nèi)燃機中的流動、傳熱及零部件的熱負荷問題,本文以495ZLQ柴油機為研究對象,將缸內(nèi)傳熱、受熱零部件導熱及冷卻系統(tǒng)的流動與傳熱過程整體耦合在一起進行了內(nèi)燃機傳熱全仿真模擬與試驗研究。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-機械耦合應力分析等方面展開大量細致的研究工作,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)燃機冷卻水腔內(nèi)流動沸騰傳熱計算的思路:分區(qū)描述法和疊加計算法。提出了基于分區(qū)描述法的沸騰模型A和沸騰模型B；對基于疊加計算法的Chen沸騰模型和BDL沸騰模型進行了修正處理。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,從而實現(xiàn)了對內(nèi)燃機冷卻水腔內(nèi)復雜傳熱過程更為精確的模擬。
　　 (2)利用沸騰傳熱子程序對簡化的缸蓋鼻梁區(qū)水腔流道進行沸騰傳熱計算,

3、并與試驗結果進行對比分析,得出了用于冷卻水腔內(nèi)沸騰傳熱計算的最佳數(shù)學模型組合,從流動參數(shù)和結構參數(shù)兩方面分析了影響沸騰傳熱性能的主要因素,為合理地評價與設計內(nèi)燃機冷卻水腔的結構提供理論依據(jù)。
　　 (3)采用直接耦合法建立了495ZLQ柴油機機體-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)燃機工作過程仿真和臺架性能試驗相結合的方法來確定流-固耦合傳熱計算時燃氣側的傳熱邊界條件。分別進行了考慮沸騰傳熱和不考慮沸騰

4、傳熱的計算,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。通過對比分析可知,沸騰傳熱因素對冷卻水腔內(nèi)流動和壓力分布的影響很小,但對水腔內(nèi)的傳熱影響較大,不可忽略。
　　 (4)通過對4105QF柴油機的溫度場實測數(shù)據(jù)與模擬結果進行比較,驗證了內(nèi)燃機流-固耦合傳熱分析的建模方法、所采用的數(shù)學模型(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確性。在此基礎上,根據(jù)495ZLQ柴油機流-固耦合傳

5、熱計算結果對其水腔結構進行優(yōu)化改進,提出三種改進方案并進行模擬計算,其中改進方案3最終被確定為較為理想的改進方案。
　　 (5)闡述了內(nèi)燃機熱-機械耦合應力分析的主要數(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,以實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)溫度場的映射過程。
　　 (6)建立了機體-缸蓋-缸墊-缸套-飛輪殼-主軸承蓋-各緊固螺栓的495ZLQ柴油機組件有限元模型,

6、并采用體映射法將考慮沸騰傳熱的穩(wěn)態(tài)溫度場結果映射到該有限元模型中。分別計算了柴油機組件在預緊和工作工況下的應力與變形情況。預緊工況下鋼質氣缸墊的壓力分布結果與試驗結果吻合較好,證明了該組件有限元模型的準確性。在此基礎上,提出了一系列新的用于評價氣缸套、機體等零部件變形的評價指標,利用這些評價指標對受熱零部件在機械載荷和溫度載荷共同作用下的應力與變形情況進行了詳細的分析。計算結果表明,由溫度載荷引起的熱應力對柴油機結構強度和剛度有著很大的