活塞喷油振荡冷却的稳、瞬态模拟计算及活塞温度场分析

摘要

活塞温度场计算是活塞工作可靠性研究的重要部分，作为降低活塞温度的最有效方法，研究活塞喷油振荡冷却过程中的流动与传热过程可以为活塞温度场计算提供更为精确的第三类边界条件，得出更为准确的活塞温度场分布，从而为活塞喷油振荡冷却提供合理的设计和评价依据。本文对带内冷油腔的ISLe375活塞进行了喷油冷却的稳态实验，测量了不同喷油压力（速度）下内冷油腔内的机油流量及其占喷嘴总喷油量的百分比。在此基础上建立了带内冷油腔活塞喷油冷却的计算模型，利用CFD软件Fluent分别模拟了稳态和瞬态过程中活塞内冷油腔内冷却机油的流动分布特点和不同假设条件下内冷油腔内的机油通过量以及瞬态时的振荡冷却换热情况。通过对比发现，稳态的实验结果与模拟结果具有相同的变化趋势，结果匹配较好。最后，利用CFD的瞬态计算结果对ISLe375活塞的温度场进行了计算。
　　 本文的主要内容包括以下几方面:
　　 (1)设计带内冷油腔的活塞喷油冷却的稳态实验测量台，针对ISLe375活塞测量出不同喷油压力下定时间段内冷却喷嘴的总喷油量和内冷油腔的回油量，分析内冷油腔回油量与活塞位置的关系及因喷油压力改变造成的活塞不同位置处内冷油腔机油流量的变化。
　　 (2)数值模拟阶段，首先提取ISLe375活塞喷油冷却的稳态模型，模拟实验条件下得到的不同喷油压力下活塞处于不同位置时内冷油腔内的机油通过量及其占总喷油量的百分比，通过与实验结果进行对比证明稳态模拟的可信性。在此基础上分析活塞处于不同位置时，冷却机油在内冷油腔内的体积分数分布和机油流动情况，确认喷油嘴与冷却油腔的配合效果，并对不同喷油角度进行模拟，分析不同喷油角度对结果的影响。
　　 (3)由于实际工作过程中活塞并非静止，因此根据活塞实际运动规律，采用动网格技术模拟不同喷油速度、不同活塞运行速度及不同喷油角度时，整个循环过程中的不同时刻冷却机油在内冷油腔壁面的分布，内冷油腔进、出口瞬时机油质量流量以及由振荡冷却产生的换热效果，并与稳态结果进行对比和分析，通过分析得出喷油速度、活塞速度、喷油角度与换热系数的关系。
　　 (4)利用FEA软件求出未加任何冷却方式时的活塞温度场的分布，再将瞬态数值模拟部分求得的活塞内冷油腔表面的换热系数与流体温度进行时间和空间平均，作为活塞温度场计算的第三类边界条件，同时结合燃气温度和活塞其他表面换热系数的经验公式求出带有内冷油腔的活塞温度场的分布。比较无任何冷却方式和内冷油腔喷油冷却两种情况下活塞的温度场分布的不同，从而分析内冷油腔喷油冷却方式对活塞温度场分布的影响和意义。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 活塞不同冷却方式的研究与对比

1．2．1 自由喷射冷却法

1．2．2 振荡冷却法

1．2．3 强制振荡冷却法

1．3 活塞温度场研究方法

1．3．1 活塞有限元分析法

1．3．2 流固耦合法

1．3．3 实验测量法

1．4 国内外研究现状

1．5 本课题研究的主要内容及实现方法

第二章 活塞喷油冷却稳态试验

2．1 活塞喷油冷却稳态试验台

2．2 试验测量过程

2．3 试验测量结果

2．4 试验结果分析

2．5 本章小结

第三章 活塞喷油冷却的稳态数值模拟

3．1 几何模型

3．2 数学模型

3．3 网格划分

3．4 边界条件

3．5 试验与稳态计算结果对比与分析

3．5．1 数值结果与试验结果对比

3．5．2 活塞处于不同位置时的内冷油腔内的机油流动与分布

3．5．3 不同喷油速度内冷油膣内机油分布与机油体积分数

3．5．4 不同喷油角度内冷油腔内机油分布与质量流量

3．6 本章小结

第四章 活塞强制振荡冷却的瞬态数值模拟

4．1 动网格技术

4．1．1 弹簧近似光滑模型

4．1．2 动态层模型

4．1．3 局部重划模型

4．1．4 动网格定义

4．2 边界条件设置

4．3 活塞喷油冷却瞬态结果显示与分析

4．3．1 活塞不同位置时内冷油腔壁面机油分布与传热系数

4．3．2 油腔璧面机油体积分数与传热系数及其进、出口机油质量流量

4．3．3 内冷油腔不同位置处机油体积分数与传热系数

4．3．4 不同喷油速度瞬态结果对比

4．3．5 不同活塞运动速度瞬态结果对比

4．3．6 不同活塞喷油角度瞬态结果对比

4．4 本章小结

第五章 活塞温度场计算

5．1 有限元网格

5．2 热边界条件

5．2．1 活塞顶部与燃气之间的换热关系

5．2．2 活塞侧面与冷却水的换热关系

5．2．3 活塞内腔璧面与油雾的换热关系

5．2．4 最终热边界条件

5．3 活塞温度场分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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