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船用低速机的活塞冷却油腔流动和传热仿真分析与实验台设计

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摘要

第1章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2活塞冷却方式研究

1.2.1.自由喷射冷却

1.2.2.循环冷却

1.2.3振荡冷却

1.3国内外活塞冷却技术研究现状

1.3.1活塞冷却技术实验部分研究现状

1.3.2活塞冷却技术仿真部分研究现状

1.4本文的主要工作

第2章理论基础

2.1流体力学控制方程

2.1.1连续性方程

2.1.2动量方程

2.1.3能量方程

2.2两相流数学模型

2.2.1 VOF模型

2.3有限体积法与PISO算法

2.3.1有限体积法

2.3.2 PISO算法

2.4湍流计算模型

2.5本章小结

第3章活塞冷却油腔内流场流动分析

3.1活塞冷却油腔系统几何模型

3.2活塞冷却油腔油路网格模型

3.2.1活塞冷却油腔油路网格划分

3.2.2模拟活塞往复运动的动网格技术

3.3活塞冷却油腔的初始条件及边界条件

3.4活塞冷却油腔体两相流流动仿真结果及分析

3.4.1活塞头部与活塞杆件两相流流动分布规律

3.4.2活塞杆底部接口两相流流动分布规律

3.4.3活塞杆顶部进油与出油接口面的压力与质量变化规律

3.4.4伸缩管部分的监测点压力与质量变化规律

3.5活塞冷却油腔体不同部位的充油率变化规律

3.6本章小结

第4章活塞冷却油腔传热仿真分析

4.1活塞头冷却油腔体不同的分区面划分

4.2活塞冷却油腔体传热计算的边界条件

4.3活塞冷却油腔体不同换热部位平均换热系数分布规律

4.4本章小结

第5章活塞冷却油腔实验系统原理设计

5.1实验台系统总体原理

5.2活塞头电阻盘加热系统简介

5.2.1加热系统组成

5.2.2活塞振荡运动加热过程

5.2.3加热盘形式的确定

5.3运动件的确定

5.3.1主要运动件的确定

5.3.2曲轴组及平衡块质量的确定

5.4固定件的确定

5.4.1底部支座结构形式的确定

5.4.2气缸支座结构形式的确定

5.5周边附属系统的选型

5.5.1冷却系统形式的确定

5.5.2气缸润滑方式的选择

5.5.3气缸润滑油、注油定时、注油率的选择

5.6测温系统系统形式的确定

5.6.1不同测温方法的比较与介绍

5.6.2硬度塞法测温原理

5.6.3活塞头顶部温度场的测量方法

5.7不同的动力源系统的选择与比较

5.7.1变频电机系统传动系统曲柄连杆传动机构

5.7.2直线电机系统动力源方法

5.7.3启动电机滑轮传动动力源方法

5.8本章小结

第6章实验台架测量控制系统分析与设计

6.1实验系统原理及仪表选型

6.1.1实验系统准则关系式的分析

6.1.2实验所需测量物理量的分析

6.1.3测试原理

6.1.4所用测量的物理量及主要仪表选型

6.2测量控制系统技术指标

6.3数据采集与控制单元总体设计

6.3.1设计原则

6.4针对性设计

6.5安全及可靠性设计

6.5.1电气安全设计

6.5.2设备及信号保护设计

6.5.3防错醒目设计

6.5.4电磁兼容设计

6.5.5安全设计

6.6.控制系统总体设计

6.6.2控制系统分析及架构设计

6.7本章小结

总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

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摘要

国内的低速柴油机目前来说主要依靠国外图纸和技术进行生产,随着国家对于自主研发越来越重视,低速柴油机技术的突破变得日益重要。而且在柴油机中众多部件中活塞头的传热冷却问题是一个值得深入研究的问题,其换热工况恶劣,冷却腔体结构复杂,有关其换热规律的研究目前还较少,值得对该方面进行研究和探索。
  本文首先以6S35MC型低速柴油机的振荡冷却油腔的流体模型,通过计算流体力学仿真的方法,对低速机活塞冷却油腔体的冷却油填充率,不同受热面的传热系数等进行了仿真计算,分析了低速柴油机冷却油腔的机油流动和传热规律,并阐述了低速柴油机活塞油腔流动和传热的机理。并对活塞冷却油油路的伸缩管部分,活塞杆底部,活塞杆顶部,活塞头部分重点进行了流动分析,针对性的对压力,质量流量变化,两相流动的变化进行了分析,分析了流动现象背后的原因,对各部分之间的相互联系和影响也逐步进行了分析。
  然后为了将仿真计算所得出的流动和换热规律能够在实际中得到验证,本文以6S35MC型船用柴油机的冷却油腔体为研究对象,设计了1∶1的活塞油腔冷却实验台,针对实验台主要系统进行了设计和设备选型,设计了用电动机倒拖曲柄连杆机构带动活塞运动的实验机构,模拟活塞运动规律,可以实现对研究活塞冷却油腔体所需物理量的测量。在实验台设计过程中,设计了一种在活塞往复运动条件下,可控加热活塞头的方法,可以模拟代替燃烧放热的情况下对活塞的加热过程。
  最后本文对实验台架所需测量的物理量、实验的原理、测量控系统进行了设计。

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