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柴油机冷却系统及工作过程的多维流动数值模拟

吕继组  
【摘要】:柴油机的流动问题一直都是设计者关注的焦点问题,其中冷却系统和工作过程的流动最为重要,这是由于冷却系统的流动直接影响柴油机的冷却效率、高温零部件的热负荷、柴油机的热量分配和能量利用,尤其对于高强化多缸柴油机,还影响到各缸冷却的均匀性:而工作过程的流动直接影响到充气效率、油气混合、燃烧、火焰传播、传热、污染物生成等。因此,柴油机的流动不仅关系到柴油机的动力性、经济性、燃烧噪音和有害废气生成,而且还直接影响到柴油机的可靠性和耐久性。在柴油机流动问题的研究中,虽然可以用实验仪器进行测量,但柴油机结构十分复杂,往往不能得到有关的详细信息。与试验相比较,采用多维数值模拟方法解决流动问题不仅可以大大降低研究费用,节省人力、物力,缩短开发周期,而且还可以获得一些实验不能测量或难以测量的结果,同时可以得到十分详细的流动信息,且能充分反映几何形状的影响。 由于柴油机流动的重要性及数值模拟的优越性,因此,本文对冷却系统和工作过程这两部分流动进行了多维数值模拟研究。 在直列六缸柴油机冷却系统流动与传热三维稳态数值模拟中。几何模型包含了整个冷却系统(缸体水套、缸体水套、油冷器水套等),这样能充分反映出整个冷却系统的性能。网格主体采用非连续的、完全非结构化的六面体,部采用非结构化的多面体网格,对于壁面附近采用边界层网格处理,这样网格既能很好地适应冷却系统复杂的几何表面,又进一步了保证网格质量,另外利用局部加密技术对重点区域进行处理使网格更加完善。热边界条件,通过已有的气缸盖—活塞组—气缸套耦合传热数值模拟软件,计算出缸盖、缸体、活塞的温度分布,从而较准确的给出壁面温度。通过CFD模拟计算可以给出整体和局部的流场、压力场分布,同时可以给出壁面换热系数的分布,另外还能总结出每个缸的冷却水流量分配情况,及对整个冷却系统的设计效果进行评价。 在柴油机单缸工作过程流动多维瞬态数值模拟。几何模型包含进气道(螺旋)、燃烧室(偏心布置)、排气道(切向)、气缸及进排气门,涉及了整个工作过程所需要的主要结构,其中在气门建立几何模型时做到了准确无误(形状、位置)。网格采用非连续的、完全非结构化的六面体,另外包含气门和活塞运动所需要的动网格。由于计算涉及到动网格,边界条件采用了动边界和静边界相结合,流动边界给出进排气道入口压力;对于气门边界,为了避免问题过于复杂,本文把气道、气门、气缸做一体化处理,即把计算域从缸内延伸到包括整个气门区域以及部分气道的整个区域,同时采用多维方法求解。通过多维瞬态数值模拟计算,主要分析了进气过程气体流场和压力场分布、压缩过


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