冷却水腔内沸腾传热与缸盖工作状态仿真

摘要

对冷却水腔内传热的研究是进行缸盖热疲劳可靠性分析的前提，沸腾传热是缸盖冷却水腔中一种重要的换热方式，研究沸腾传热因素对冷却系统流动、传热以及缸盖工作性能的影响，可以更加精确地预测、评价和设计缸盖冷却水腔的结构。本文提出了一种单相流沸腾传热模型，并介绍了模型的数值实现方法。然后以车用道依茨22613型发动机冷却水腔—缸盖系统为研究对象，建立了发动机冷却系统和缸盖的计算模型，利用CFD分别计算了水腔内冷却水在考虑与不考虑沸腾因素两种情况下的流动和传热情况并对之进行了比较和分析。并利用热力过程仿真的方法，确定了缸盖火力面、进气道以及排气道周围壁面的第三类热边界条件，从而得出缸盖的温度场情况。进行了缸盖的热一机械耦合应力分析，对缸盖的结构提出更改。同时对缸盖水腔测温实验台进行了介绍。 本文所做的主要工作可概括为以下几个部分： 1)在Chen模型的基础上，提出了一种单相流沸腾模型，并通过引入空泡份额的概念，将整个水腔内气液共存的流体看作一个假定的特殊单相流场，模型假设气泡很小并均匀地混合在液相之中，因此对于整个混合流场可以采用单相流方程进行求解。对该模型进行了数学上的推导和描述并介绍了模型的数值实现方法。 2)对冷却水腔分别进行了考虑与未考虑沸腾时CFD分析，通过比较发现了沸腾因素对冷却系统流动和传热的影响：沸腾对冷却系统内流动和压力的分布几乎没有影响，但对缸盖水腔传热的影响作用较大，不可忽略。 3)利用热力学仿真确定了缸盖的热边界，并考查了材料和沸腾传热两种因素对缸盖温度场的影响作用：采用导热性能更好的材料可以使缸盖火力板的温度分布更为均匀并能减少火力板上下之间的温差；沸腾可以使缸盖火力板的整体温度都有所下降。 4)对缸盖进行了更改材料计算(由HT300更改为HT280)，根据计算结果提出了缸盖结构更改措施。分析了沸腾传热对缸盖热应力和热疲劳的影响：沸腾传热可以降低缸盖火力板鼻梁区的热应力；同时利用局部的沸腾传热可以使缸盖火力板维持在一个较低温度的工作环境中，增强了相关零部件材料的抗热疲劳性能，改善了缸盖的热低周疲劳情况。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2缸盖冷却系统的传热特点及研究方法

1.2.1冷却系统内传热类型及沸腾传热的特点

1.2.2单相流沸腾传热模型

1.2.3缸盖及冷却系统的主要研究方法

1.3缸盖及冷却系统的国内外研究历史及现状

1.3.1冷却系统的流动和传热

1.3.2沸腾传热及其数学模型

1.3.3缸盖热—机械应力和疲劳

1.4课题研究的内容及技术路线

第二章单相流沸腾传热模型及实验验证

2.1冷却水腔内的沸腾传热

2.1.1管内对流沸腾

2.1.2 Chen模型

2.1.3 BDL模型

2.2单相流沸腾模型的数学描述

2.2.1 CFD沸腾模型的现状

2.2.2模型的数学描述及推导

2.3模型的数值实现

2.3.1 CFD软件中的用户子程序

2.3.2子程序的编译和链接

2.4模型的实验验证

2.4.1冷却水道沸腾实验介绍

2.4.2冷却水道数值模拟处理

2.4.3计算结果与实验结果的对比

2.5本章小结

第三章冷却水腔内的流动和传热CFD分析

3.1 226B型发动机的冷却系统

3.1.1模拟计算对象

3.1.2冷却系统的基本形式

3.1.3 226B型发动机冷却系统简介

3.1.4 226B型发动机缸盖冷却水腔

3.2冷却系统CFD计算分析流程

3.3模型前处理及网格划分

3.3.1网格的质量要求

3.3.2网格划分的基本原则

3.3.3冷却系统网格划分情况

3.4计算边界条件与冷却水参数

3.4.1边界条件的施加

3.4.2冷却水参数计算

3.4.3计算采用的两种方案

3.4.4方程离散与近壁处传热系数的求解

3.5单相对流传热模型计算结果

3.5.1冷却系统的压力损失与流动均匀性分析

3.5.2缸盖冷却水腔内的系统的流动分析

3.5.3缸盖冷却水腔的传热分析

3.5.4 CFD与FEA的耦合

3.6单相流沸腾传热模型计算结果

3.6.1沸腾对水腔流动以及压力损失的影响

3.6.2沸腾对冷却水腔传热的影响

3.6.3冷却水腔内的空泡份额

3.6.4冷却水腔内的传热危机探讨

3.7本章小结

第四章缸盖工作时的热边界与温度场

4.1发动机热力过程仿真

4.1.1热力过程仿真简介

4.1.2主要参数的选取

4.1.3缸内热力学模型

4.1.4进、排气道热力学模型

4.1.5 vibe燃烧模型

4.1.6发动机仿真模型

4.1.7仿真计算结果

4.2 226B型发动机缸盖

4.2.1缸盖的结构形式及设计要求

4.2.2 226B型发动机缸盖简介

4.3火力面、进排气道及冷却水腔热边界

4.3.1火力面区域的传热情况

4.3.2缸内涡流与换热系数

4.3.3火力面的第三类热边界条件

4.3.4进、排气道内的换热

4.3.5进排气道第三类热边界条件

4.3.6传热流固耦合与冷却水腔热边界

4.5缸盖前处理及热边界的施加

4.5.1缸盖网格的划分

4.5.2缸盖材料的热物理性质

4.5.3表面效应单元与热边界的施加

4.5.4计算方案与传热方程

4.5.5 CFD与FEA的耦合

4.6缸盖温度场分析

4.6.1缸盖温度场整体分布情况

4.6.2缸盖材料对温度场的影响

4.6.3沸腾因素对缸盖温度场的影响

4.7本章小结

第五章缸盖的热-机械应力与疲劳分析

5.1零件分析的作用及缸盖疲劳破坏简介

5.1.1强度与疲劳分析在零件设计中的作用

5.1.2缸盖在工作时的状态和缸盖的疲劳破坏

5.2有限元方法在缸盖受力分析中的应用

5.2.1零件强度计算中的弹性力学

5.2.2有限元技术特点以及应用

5.2.3缸盖受力分析的有限元方法

5.2.4有限元分析中的参数化设计语言

5.3缸盖分析模型以及载荷条件

5.3.1模型的创建

5.3.2材料参数

5.3.3热-机械耦合

5.3.4缸盖的机械载荷边界

5.4机械疲劳与热疲劳分析基础

5.4.1 S-N曲线与机械疲劳分析

5.4.2缸盖的热疲劳机理

5.4.3缸盖疲劳计算

5.5结果分析

5.5.1更换材料前后缸盖应力与疲劳变化

5.5.2沸腾对缸盖应力和疲劳的影响

5.6本章小结

第六章缸盖水腔测温实验台及全文的总结展望

6.1缸盖水腔测温实验台

6.1.1缸盖水腔测温的目的

6.1.2温度测量的一般方法

6.1.3热电偶的选取与标定

6.1.4测点的布置

6.1.5测温实验系统

6.2全文工作总结

6.3未来工作展望

附录

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢