柴油机缸盖冷却水套流动换热的数值研究

摘要

随着柴油机强化程度和性能指标的不断提高，其在工作中承受着较高的热负荷与机械负荷，在某些设计不当或冷却不合理的地方容易产生裂纹，影响柴油机的强度和可靠性，所以有效地改善柴油机冷却循环系统已成为柴油机设计的重要内容，而数值模拟是目前研究柴油机水腔冷却液流动与传热和优化水腔结构的重要手段。
　　 本文以某新型柴油机的缸盖水腔为研究对象，对冷却水的三维流动与换热进行了理论分析及模拟计算。根据柴油机气缸盖的平面图，利用三维CAD软件Pro/Engineer建立气缸盖冷却水腔的几何模型，并在保证与原水腔尽可能一致的前提下，进行了必要的简化。使用FLUENT的前处理软件GAMBIT对水腔模型进行分析处理及划分网格，并在FLUENT中进行数值模拟计算及后处理。在模拟计算过程中认为冷却液在缸盖水腔内的流动是稳态、不可压缩的粘性湍流流动。
　　 分析计算结果可知该柴油机气缸盖冷却水腔的设计比较合理，并能达到设计要求的冷却效果，但是也存在一些需要优化的地方，主要表现在进排气阀座、鼻梁区等处冷却宜适当加强。本文根据缸盖水腔设计原则对缸盖水腔原型进行局部改进，提出三种改型设计方案，通过对改型方案模型进行计算并与原型比较，确定出满足冷却要求的最佳设计方案。最后，本文研究了冷却介质流动参数对缸盖水腔换热效果的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的背景与研究意义

1.2柴油机冷却系统的研究方法

1.3柴油机冷却系统研究进展与现状

1.3.1试验方法的研究进展

1.3.2 CFD方法的研究进展

1.4课题研究的主要内容

1.5本章小结

第2章缸盖冷却水腔计算模型及理论

2.1控制方程的描述

2.2湍流现象概述

2.3湍流的数值模拟方法

2.4 Reynolds时均方法

2.4.1湍流物理量时均值定义

2.4.2湍流对流换热的Reynolds时均方程

2.5湍流计算模型

2.6壁面函数法

2.6.1壁面函数法的基本思想

2.6.2高Re数κ-ε模型/壁面函数法边界条件的处理

2.7控制方程的离散化

2.7.1对流-扩散方程的离散格式

2.7.2三维对流-扩散方程的离散形式

2.8 SIMPLE算法的流场数值求解

2.9湍流模拟的收敛

2.10本章小结

第3章柴油机缸盖水腔的传热研究

3.1柴油机冷却负荷

3.2缸盖的热状态

3.3缸盖水腔传热方式

3.4冷却水换热壁面HTC计算公式

3.4.1不考虑沸腾的HTC计算公式

3.4.2考虑沸腾的HTC计算公式

3.5本章小结

第4章缸盖冷却水腔流动与换热模拟

4.1模型的建立

4.2网格的划分

4.3计算模型与边界条件

4.3.1流动边界条件的确定

4.3.2壁面边界条件

4.4气缸盖冷却水腔的CFD计算结果与分析

4.4.1速度场分析

4.4.2温度场分布及换热分析

4.5本章小结

第5章缸盖水腔结构改进及影响冷却因素研究

5.1缸盖水腔冷却水腔设计原则

5.2缸盖水腔设计改进意见

5.3改型计算模型

5.4改型与原计算结果对比分析

5.4.1压力场与速度场对比

5.4.2温度场及换热对比

5.5缸盖水腔换热影响因素的研究

5.5.1温度对换热的影响

5.5.2冷却水入口速度对换热的影响

5.6本章小结

第6章工作总结与展望

6.1全文工作总结

6.2工作展望

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