双对置式柴油机缸套温度场研究

摘要

随着发动机技术的不断发展与能源环境问题的日益严峻，双对置式发动机(OPOC，Opposed Piston Opposed Cylinder)体积小、质量轻、能耗低、排放低，拥有更高的功率密度，在燃油经济性、尾气排放和制造成本上具有较大优势，近年来得到了广泛关注。高功率密度必然伴随高的热负荷，因此OPOC发动机的缸套、缸盖、活塞等关键部件的热负荷问题一直备受关注。本文以某双对置式柴油机为研究对象，通过试验与数值模拟相结合的研究方法，对该发动机的冷却水腔与缸套进行了流动分析和温度场研究。
　　首先应用粒子图像测速技术(PIV，Particle Image Velocimetry)对该发动机冷却水腔内的流体流动情况进行了试验测试分析。从发动机整机中提取出冷却水腔三维结构并进行相应简化，采用石英玻璃和亚克力材料进行了可视化测试模型的加工。搭建了冷却水腔的PIV测试台架，选取三个测量截面，在5种不同的冷却水流量下，对速度场进行了实验测量。同时利用FLUENT软件进行了与之对应的冷却水腔流场的数值模拟计算。通过对测量截面上的流场分布及压力分布的计算结果和试验结果的对比分析，获得了合适的计算求解模型，利用该计算模型分析了冷却水腔内部流场的流动规律。随后将其应用于该发动机实际冷却水腔的流动传热计算当中，为缸套温度场计算提供精确的水侧边界条件。
　　其次对该发动机缸套进行了测温试验以及温度场的数值计算分析。试验过程中，结合缸套的结构特点，在其水侧壁面处选取了5个温度测点，打孔并布置了热电偶，连接线从水腔入口引出，测量了升功率为30kW/L时不同工况下的缸套水侧温度。同时采用全仿真模拟方法分析了缸套的温度场分布。全仿真模拟计算中，缸套燃气侧的热边界条件利用GT-SUITE软件进行一维热力循环计算获得，冷却水侧边界条件利用ABAQUS软件与FLUENT软件进行缸套与冷却水腔的流固耦合计算获得，过程中考虑沸腾传热，最终获得缸套温度场分布规律。将不同工况下缸套测点试验温度与计算结果进行了对比分析，两者分布规律相同，温度值最大计算误差为6.3％，这表明建立的缸套传热的全仿真计算模型具有较高的计算精度。
　　最后利用前面标定过的缸套传热全仿真模型，对即将开发的升功率为60kW/L的双对置式柴油机的缸套温度场进行了全仿真模拟分析，并根据缸套温度场分布结果提出了相应的冷却系统改进方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 双对置式发动机

1．2．2 冷却水腔

1．2．3 缸套温度场

1．2．4 PIV测试技术

1．3 课题主要研究内容

第2章 发动机水腔的流场测试

2．1 PIV测试技术简介

2．1．1 PIV技术原理

2．1．2 PIV系统组成

2．2 PIV试验台架

2．2．1 PIV测试系统

2．2．2 水循环系统

2．2．3 试验模型的加工

2．2．4 测量截面的选取

2．3 试验数据处理

2．4 本章小结

第3章 发动机水腔流场数值模拟计算

3．1 冷却水腔的流场分析

3．1．1 模型的建立与网格划分

3．1．2 边界条件的设定

3．1．3 计算模型的求解方程

3．1．4 水腔流场结果分析

3．2 冷却水腔的流动传热分析

3．2．1 模型的建立与网格划分

3．2．2 边界条件的设定

3．2．3 流动传热计算求解

3．2．4 水腔流动传热计算结果分析

3．3 本章小结

第4章 发动机缸套温度场数值分析及标定

4．1 缸套传热的全仿真

4．1．1 热力循环计算

4．1．2 缸套温度场耦合计算

4．1．3 缸套温度耦合计算结果分析

4．2 缸套温度场实验

4．2．1 试验对象

4．2．2 测量系统及测点布置

4．2．3 缸套温度测量结果

4．3 缸套测点温度结果分析

4．4 本章小结

第5章 高升功率发动机缸套温度场分析

5．1 高升功率发动机的冷却

5．2 高升功率发动机缸套传热的全仿真

5．2．1 冷却水腔流动传热计算

5．2．2 热力循环计算

5．2．3 缸套温度场耦合计算

5．3 高升功率发动机缸套温度场分析

5．3．1 冷却水流量55 L／min时的缸套温度场分析

5．3．2 冷却水流量100 L／min时的缸套温度场分析

5．4 本章小结

第6章 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文