气体燃料船用主机预燃室组件传热研究

摘要

与传统动力相比，气体燃料船用主机在经济性和有害物排放控制方面具有明显优势，因而近年来在国内外学术界和工业界得到高度重视，相关研究迅猛发展。为了实现高效稀薄燃烧，纯气体燃料船用主机要采用预燃室结构保证可靠点火，提高点火能量并加快火焰传播速度。预燃室组件的工作条件非常恶劣，在工作过程中预燃室组件要承受剧烈的高温高频热负荷和高频机械负荷作用，因而其可靠性一直是纯气体燃料船用主机研发所关注的关键问题之一。为了分析预燃室组件的热负荷状态，论文采用流固耦合法对预燃室组件进行热分析。
　　首先，应用三维CFD软件对某型号中速四冲程纯气体燃料船用主机的缸内工作过程进行数值模拟，分析主燃室和预燃室缸内燃气温度场的变化历程，以及预燃室流固耦合面处的换热系数和热通量，在此基础上通过网格映射得到瞬态温度场分析所需的三维热边界条件。
　　其次，建立预燃室组件模型，进行稳态温度场、瞬态温度场分析。首先进行稳态温度场计算，然后将CFD模拟得到的关键表面三维瞬态热边界条件，施加到有限元面单元，进而对预燃室组件进行瞬态温度场分析。结果显示预燃室各部位温度分布及波动不同，尤以喷孔表面处温度波动范围最大。通过对预燃室组件冷启动工况分析，得知启动初期温度升高趋势呈近似指数变化规律，剧烈的温度变化会增加动态热疲劳应力。
　　最后，在瞬态温度场分析基础上，对预燃室组件热应力场进行分析;同时将燃气压力与热负荷耦合计算，进行耦合应力场分析，深入了解预燃室组件的热应力及耦合应力分布情况;根据耦合应力场计算结果，对预燃室关键部位进行安全分析。
　　通过上述工作，获得了在船用主机工作过程中预燃室组件温度场状态，分析了引起预燃室组件热损伤不可忽略的因素，为预燃室组件的结构优化提供了数据支撑。