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四缸柴油机缸盖传热研究

李佑长  
【摘要】: 随着柴油机的不断强化,气缸盖的传热与热负荷成为一个非常重要的研究方向。本文以四缸柴油机为研究对象,从工程应用的角度出发,围绕柴油机缸盖传热展开全面的研究。建立气缸盖有限元模型、三维燃烧计算模型与冷却水套模型,利用气固耦合的方法得到燃气侧换热系数与温度边界,利用液固耦合的方法相互提供各自的热边界条件,应用前后处理软件,编写解算程序,对各仿真模型缸盖温度场、热应力进行分析评价。对冷却液侧、燃气侧采用不同边界的计算结果进行对比,并考虑沸腾对冷却液侧换热系数的影响展开初步研究。最后通过Flowmaster2软件对柴油机整个冷却系统进行一维冷却计算分析,结合Excel软件的VB语言,分析整个冷却系统的匹配情况,使整个冷却系统各零件参数匹配合理。本论文共分为七章,包括以下内容: 回顾了国内外发动机缸盖传热中占重要地位的冷却水套研究现状以及CFD(计算流体动力学)软件技术的发展并介绍使用到的CFD、FEA(有限元分析)商业软件,提出了本课题研究的目的及主要研究内容。针对目前国内缸盖传热研究的现状,应用CFD分析方法重点对冷却水套展开仿真研究,并利用流固耦合的方法实现缸盖的温度场分析。 介绍柴油机冷却水套CFD分析流程,流程包括三维几何分析模型的建立、计算网格的划分、流体动力学控制方程、湍流模型及计算方法的选用,确定物理模型、计算方法和边界条件后求解,结果收敛后进行后处理,对计算结果进行评价。 对四缸柴油机冷却水套进行详细的CFD分析,水套冷却液流动和冷却特性分析主要通过各区域流量分布、温度分布、换热系数、压力损失进行。通过速度场识别出滞止区、速度梯度大的区域,通过温度分布分析可能产生气泡引起开锅的位置,通过换热系数的分布评估水套的冷却性能,通过压力分布显示出压力损失大的区域。并最终通过简要水流场试验,观测缸盖顶部流动情况并与CFD计算结果对比分析。 针对CFD分析结果,提出各种改进方案,包括将缸体水套流动方式由纵流改为横流以及对各缸垫水孔直径进行改进,以提高各缸上水均匀性及改善流动,利用CFD分析手段对各改进方案进行计算对比,以找到比较合理的方案。 利用已有的性能试验结果标定了计算用的放热规律,进行零维计算,为FEA计算与三维燃烧计算提供边界条件。建立三维燃烧计算模型进行燃烧计算,进行气固耦合分析,为缸盖燃烧室区域提供更真实的热边界,对缸盖水套分是否考虑沸腾进行CFD计算,为缸盖温度场分析提供不同的冷却液侧热边界,进行初次温度场计算。 将各仿真模型通过FEA分析得到的水套壁面温度作为进一步CFD计算的真实壁面边界,映射出更真实的冷却液侧热边界,实现三维流固耦合分析,对缸盖温度场做进一步评价。计算表明采用流固耦合分析算出的结果最接近测试温度。在此研究方法基础上对改进方案进行同样的流固耦合计算,得到改进方案的温度场与热应力,并进行汽化试验验证,达到解决缸盖热裂纹故障的目的。 利用三维CFD分析结果做为边界条件,应用Flowmaster2软件对冷却系统进行一维分析计算,并结合EXCEL软件中的VB编程对整个冷却系统的匹配情况进行评估分析,以确定合理的风扇、水泵、散热器等参数,对冷却系统进行全面的评价。


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