低速二冲程柴油机活塞热负荷流固耦合分析

摘要

活塞作为船用柴油机的关键受热部件之一，承受着极高的周期性变化的热负荷和机械负荷，可靠性受到极大考验。随着柴油机强化程度的提高，活塞所承受的热负荷也明显增加。低速二冲程柴油机转速低，燃烧持续时间长，活塞表面承受的热流密度大，活塞热负荷高。因此准确的活塞热负荷分析是进行活塞优化设计的基础。低速二冲程柴油机采用两个或三个喷油器喷射燃油，火焰分布不均匀，导致活塞上表面所承受热流密度不均匀。活塞的散热主要由油腔内的冷却油振荡完成，散热过程涉及冷却油的两相流和复杂运动过程。可见低速二冲程柴油机活塞的受热和散热过程非常复杂，基于经验公式和半经验公式的零维模型和准维模型确定活塞顶面热边界条件的方法是无法体现这样的复杂换热过程的。为了使活塞传热过程分析的边界条件更接近真实情况，本文采用流固耦合的方法对某低速二冲程船用柴油机活塞进行了热分析和应力分析。分别应用三维CFD计算得到燃烧室内燃烧放热过程边界条件和冷却油腔内的散热边界条件，将这些边界条件加载与有限元分析模型中进行活塞热分析。　　本研究主要内容包括：⑴根据二维工程图纸，建立了活塞和冷却油腔的几何模型。应用三维 CFD软件对缸内工作过程和冷却油腔的多相流振荡换热过程进行了数值模拟，并根据工作介质流速、换热系数和温度的分布情况评估了活塞顶面和冷却油腔的换热效果。⑵建立了活塞三维有限元分析模型，将活塞顶面和冷却油腔的换热边界条件加载，完成了柴油机稳定运行在100%负荷时活塞的温度场计算。通过对比分析活塞的温度场，评估了活塞的热负荷大小及分布情况。根据计算结果，预测了活塞可能出现的失效形式和失效位置，并针对热负荷过高的区域提出降低热负荷的解决办法。本文采用的三维边界条件加载方法所得结果反映了低速二冲程柴油机活塞顶面温度场分布沿圆周方向分布的不均匀性特征，圆周方向的温度波动最大超过了100℃。⑶在温度场计算的基础上，综合考虑缸内爆发压力、螺栓预紧力以及惯性力的影响，对活塞进行热-结构耦合应力场分析，计算了最大爆发压力时刻活塞的应力分布情况及变形情况。通过对活塞的应力及变形进行分析，评估了活塞的可靠性以及结构设计的合理性，为活塞的后续改进优化提供了参考。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2活塞的工作条件

1.3活塞的常见失效形式和原因分析

1.4活塞的冷却

1.5活塞传热研究现状

1.6本文研究内容及流固耦合流程

2计算模型

2.1 CFD计算模型

2.2导热微分方程和定解条件

3多相流振荡冷却和传热计算

3.1活塞内部结构及冷却油路布置

3.2建立冷却油路相关部件的三维模型

3.3建立冷却油腔的CFD模型

3.4边界条件设置

3.5计算结果与分析

3.6本章小结

4 活塞温度场计算分析

4.1燃烧室组件几何模型

4.2 有限元网格划分

4.3 材料特性

4.4 热边界条件映射

4.5计算及结果分析

4.6本章小结

5 热-结构耦合应力场计算

5.1载荷施加

5.2 计算及结果分析

5.3本章小结

6 总结和展望

6.1 总结

6.2展望

参考文献

附录A 术语

致谢

攻读硕士学位论文期间发表学术论文情况