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重载车用柴油机缸盖内冷却水流动分析及强化传热研究

王兆文  
【摘要】: 随着柴油机升功率的大幅提高,柴油机的冷却问题变得越来越突出,成为制约柴油机进一步发展的关键问题之一。 本文以YC6M360系列柴油机为研究对象,针对其冷却能力不足、气缸盖鼻梁区出现热裂、冷却水经常开锅等问题,开展了整机热负荷、整机水流分布、气缸盖热负荷和气缸盖水流分布等试验以及冷却水套内冷却水流动与传热的数值模拟研究。对该型柴油机冷却系统的匹配和气缸盖冷却水套的结构进行了优化设计,结果表明,各种优化设计方案能较好的提高该机整机及气缸盖的冷却能力,从而降低了该机整机热负荷和气缸盖热负荷,较好的解决了该机所出现的气缸盖鼻梁区热裂、冷却水经常开锅等故障。 在发动机冷却水流动模拟中,本文提出“如试验结果缺乏,可以利用不同的软件进行数值模拟来验证另一软件的数值模拟结果,只要模拟结果差异较小,就可认为该模拟结果是正确的”这一新的验证方法。针对使用FIRE软件进行的柴油机出水管内冷却水流动数值模拟,分别使用传统的试验验证方法和用另一软件Fluent进行数值模拟验证的方法进行了验证。验证结果表明:新的验证方法可用于验证另外的软件的数值模拟结果。 利用数值模拟方法进行了基于正交实验设计的上水孔扰流强化传热的研究,分析了全新设计的气缸盖冷却水套中上水孔2和上水孔3不同直径对气缸盖内各区域对流换热系数(HTC)的影响,并针对不同指标得出两个上水孔直径的最佳组合方案。随后,提出了“气缸盖内各区域的整体流速可看成是某上水孔不存在时该区域的整体流速和该上水孔存在时对该区域的整体流速贡献的叠加”,以及“上水孔对各区域HTC的贡献包括因上水孔内冷却水流动而引起该区域内流速变化对HTC的贡献和湍动变化对HTC的贡献”的分析方法。并基于此方法,成功地分离出各上水孔直径时流经其中的冷却水在各区域的扰流对该区域的HTC的强化程度,为上水孔的扰流设计提供了理论指导。 进行了气缸盖沸腾传热研究。通过数值模拟,对比了考虑冷却水沸腾和不考虑冷却水沸腾时气缸盖底部换热系数的变化。另外,也对比了不同沸腾模型时换热系数的变化,为以后进行柴油机冷却水套内流动与传热的数值模拟提供参考。 最后,本文进行了气缸盖内流固耦合数值模拟,通过冷却水流场和气缸盖固体传热的耦合模拟,得出了气缸盖内温度场,并通过试验数据进行了验证,验证结果表明:误差在工程许可范围以内。通过流固耦合数值模拟,可以使柴油机在初始设计阶段就能详细地了解气缸盖内温度的分布,并在此时就可以进行气缸盖结构的优化,从而可以大大缩短设计周期。


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