某高原柴油机缸盖三相耦合换热及应力分析

摘要

随着我国西部大开发战略的深入，高原交通运输能力成为发展的重点和难点。柴油机作为重型载重货车及内燃机车的核心也需要适应高原环境条件，为高原经济发展做出贡献。柴油机的高原热平衡能力作为高原适应性的一个分支越来越多的得到各界的重视，高原地区低压、低温的特点对柴油机冷却系统提出了苛刻的要求。针对高原柴油机热管理的各类实验及数值模拟方法也逐步完善，成为开发设计高原柴油机冷却系统的不可或缺的手段。
　　本文以某12缸V型高原柴油机为研究对象，运用专业CFD模拟软件FLUENT对冷却系统的流动和换热能力做了评估，并联合ANSYS-Workbench的静力学分析模块实现对单缸缸盖的热-机耦合应力分析。
　　首先分析了高海拔地区冷却水物性参数的变化，并针对4个不同海拔选取了对应浓度的乙二醇溶液作为该海拔下的冷却介质，利用该结果对不同海拔下的整机冷却水套进行了绝热流动模拟，并对比海拔2000m的模拟结果与试验值进行有效性验证。然后选取流动效果最差的海拔5000m下的第6缸建立气缸盖-冷却水套-气缸套流固耦合模型研究缸体换热能力。之后提出将进排气流动换热加入耦合系统构成气-液-固三相流固耦合模型进行综合换热模拟，并将结果与不考虑进排气流动时缸盖温度分布及缸盖测点温度进行对比，发现加入进排气后的缸盖温度更加接近实际情况。然后针对水套局部流动不畅提出了结构改进措施，对改进后系统再次进行耦合换热模拟，发现改进后火力面水套排气侧伸出部流动被激活，缸盖对应部位温度明显下降。最后利用ANSYS-Workbench对改进后的缸盖进行了热-机耦合应力分析和强度校核，结果表明在导入热载荷、机械应力及装配约束的联合作用下缸盖满足强度要求。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．1．1 高原环境及其对柴油机工作的影响

1．1．2 柴油机高原热平衡

1．2 柴油机冷却系统高原热平衡国内外研究现状及展望

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 柴油机高原热平衡研究展望

1．3 本文所做的研究工作

2 数值模拟理论依据及计算工具

2．1 计算流体动力学理论基础

2．1．1 流动控制方程

2．1．2 湍流控制方程

2．1．3 近壁面模型理论

2．2 传热相关理论基础

2．3 应力分析理论基础

2．4 数值分析软件简介

3 整体冷却水套绝热流动模拟

3．1 整机冷却水套计算模型的建立

3．2 边界条件的高原修正

3．2．1 冷却液物性参数的修正

3．3．2 进出口边界条件及求解模型选择

3．4 不同海拔整体水套计算结果对比

3．4．1 不同海拔整机水套速度场分布对比

3．4．2 不同海拔整机水套压力场分布对比

3．4．3 整机水套模拟有效性检验

3．5 本章小结

4 单缸气缸盖-冷却水套-气缸套流固耦合模拟

4．1 流固耦合模型的建立

4．2 耦合计算设置

4．2．1 材料定义及物性参数设置

4．2．2 流体域边界条件设置

4．2．3 固体域边界条件设置

4．3 流固耦合计算结果分析

4．3．1 固体域温度分布分析

4．3．2 单缸水套流动及换热分析

4．4 本章小结

5 考虑进排气的三相流同耦合及其改进

5．1 三相耦合模型的建立

5．2 进排气物性参数的确定

5．2．1 进气参数的确定

5．2．2 排气参数的确定

5．3 计算结果分析及对比

5．3．1 缸盖温度分布对比

5．3．2 单缸水套温度分布对比

5．4 缸盖温度有效性检验

5．5 排气侧伸出部的改进及对比

5．5．1 计算模型的改进

5．5．2 模拟结果对比

5．6 本章小结

6 气缸盖结构变动后热-机耦合强度校核

6．1 热-机耦合模型建立

6．2 载荷及约束条件的施加

6．2．1 外部导入载荷

6．2．2 机械载荷的施加及约束设置

6．3 计算及结果分析

6．4 对改进后气缸盖的强度校核

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 全文工作总结

7．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢