发动机气门排气腔体模型CFD温度场分析与应用

摘要

发动机排气门是气缸工作时的辅助元件，在发动机完成吸气、压缩、做功、排气整个周期做功过程中，气门参与了整个过程的所有阶段，承担着空气的吸入，密封以及废气的排放功能。
　　 本文基于国内外发动机气门研究现状，对气门的失效形式进行了分析，以排气门与排气道组成的腔体为研究对象，利用Pro/e与Gambit商用软件，建立了气门排气腔体几何模型和数值分析网格模型，应用Fluent软件分析了流经排气门表面的热湍流在腔体内的温度分布，得到对应于气门表面的第二热点。结合气门分析中的第二热点理论以及相关的气门设计参数，对影响该热点位置的因素进行了研究。研究结果如下:
　　 气门背锥角β角度的变化对气门表面的温度分布没有影响，第二热点的位置始终位于气门倒角延长线与气门相交处。
　　 随着气门锥面角α的增大，排气门表面的第二热点位置会沿着气门导杆朝气门圆弧方向移动。
　　 温度在气门的表面上为非对称分布，第二热点始终在气门靠近排气道出口的位置。
　　 湍流强度与气流温度有关。湍流强度越高，该处气流温度也越高。气门第二热点处湍流强度最高。
　　 在ANSYS中建立相应的气门热-热应力分析模型，利用腔体模型仿真的温度场结果作为边界条件，通过有限元分析得到气门的温度场、应力场和热变形，探讨了气门杆与气门导管发生偏置的热变形机理。
　　 本文的研究结论可以为气门排气道的设计提供指导，并且气门在工作过程中受到非对称温度产生弯曲变形的这一结论，可以为气门导杆与气门导管之间的间隙的设计提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 气门的失效形式及其原因

1．1．2 温度对发动机排气门失效的影响

1．1．3 流场对发动机排气门失效的影响

1．2 气门失效国内外研究现状

1．3 本文研究的主要内容及研究方法

1．4 本章小结

第2章 发动机排气门排气道腔体数学模型的建立

2．1 CFD方法求解腔体内温度场

2．1．1 流体分析的发展

2．1．2 流体分析的应用领域

2．1．3 CFD方法求解腔体内温度流场

2．2 基本控制方程

2．2．1 连续性方程

2．2．2 动量守恒方程

2．2．3 能量守恒方程

2．3 湍流模型

2．3．1 常用湍流模型简介

2．3．2 k-ε模型

2．4 基本控制方程的求解

2．5 本章小结

第3章 排气门排气道腔体CFD分析模型建立

3．1 气门结构参数

3．2 排气门排气道腔体三维模型的建立

3．2．1 Pro／E软件介绍

3．2．2 CFD前处理软件—Gambit

3．2．3 Fluent后置处理以及Tceplot应用

3．2．4 模型的建立

3．3 定义边界条件类型

3．4 本章小结

第4章 排气门排气道腔体模型CFD温度场分析

4．1 Fluent仿真计算流程

4．2 雷诺数的计算

4．3 施加边界条件与模型求解

4．4 仿真结果与分析

4．4．1 三维模型仿真图

4．4．2 背锥角β对气门表面温度的影响

4．4．3 气门锥面角α角对气门表面温度的影响

4．4．4 压力出口的位置对温度分布的影响

4．4．5 湍流强度对温度分布的影响

4．5 湍流能量对温度影响在排气道中的应用

4．6 本章小结

第5章 基于气门腔体模型分析的气门热变形分析

5．1 ANSYS二维气门模型稳态热分析

5．2 ANSYS二维气门模型热应力分析

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢