发动机缸盖冷却水道流场及冷却特性的分析研究

摘要

发动机缸盖作为燃烧室的一部分，在工作过程中需要承受极大的机械负荷和热负荷，是发动机中工作条件最为恶劣的零部件之一，也是最重要的散热部件之一，缸盖的冷却效果对于发动机工作的可靠性以及综合性能都具有非常重要的影响。本文以某型航空汽油发动机的缸盖冷却水道为研究对象，利用计算流体动力学软件为研究工具，通过流动与传热的耦合计算分析，对该缸盖冷却水道的流场及冷却特性进行分析研究。
　　 根据模拟计算的需要，建立了缸盖及其冷却水道的几何模型，通过网格无关性验证确定了网格划分策略，并对边界条件的选取和施加方式进行了分析；确定了缸盖冷却水道的分析评价原则，分析了多种工况下冷却水道的流场特性，对严寒环境下缸盖及其冷却系统的暖机时间进行了计算。结果表明，所研究的冷却水道完全可以满足发动机在正常起飞、最大续航、恶劣高温以及严寒环境等工况下工作时对缸盖热负荷的冷却要求。计算分析结果也指出了原缸盖冷却水道模型结构的不完善性。
　　 在发动机稳定运行工况下，分析了冷却水道的入口条件、外界环境因素、缸盖及冷却液的物性参数、壁面粗糙度对冷却水道流场特性的影响，给出了各影响因素的影响规律，为航空发动机研发过程中缸盖冷却的组织与控制提供了重要依据。建立了缸盖冷却水道流场特性的多参数影响综合分析系统，并对该系统进行了验证、改进以及应用分析，使用该系统建立了某工况下冷却水道入口温度和水泵流量的关系曲线，为冷却水道入口条件的选择提供了一定依据。
　　 根据缸盖冷却水道流场特性的分析结果，对原模型进行了结构改进分析。改进后，缸盖和冷却水道的温度分布更加均匀合理，消耗的冷却水泵功率也有所下降，改进效果比较明显。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 本文的研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 缸盖冷却水道流场特性的研究历史及现状

1.2.1 冷却水道流场特性的试验研究

1.2.2 冷却水道流场特性的数值模拟

1.3 冷却水道流场特性的研究方案及重点问题

1.3.1 冷却水道流场特性的研究方案

1.3.2 冷却水道流场特性分析的重点问题

1.4 数值计算方法及软件介绍

1.4.1 数值计算方法

1.4.2 数值计算软件

1.5 本文的主要研究内容

2 冷却水道流场特性计算的数学模型

2.1 冷却水道流场特性数值模拟的控制方程

2.1.1 质量守恒方程

2.1.2 动量守恒方程

2.1.3 能量守恒方程

2.2 冷却水道流场特性数值模拟的湍流模型

2.2.1 湍流的雷诺时均方程

2.2.2 零方程模型及一方程模型

2.2.3 双方程模型

2.2.4 壁面函数法

2.3 本文所用的数学模型

2.4 本章小结

3 缸盖冷却水道流场及冷却特性的分析

3.1 缸盖和冷却水道的几何模型及网格模型

3.1.1 缸盖及冷却水道的几何模型

3.1.2 缸盖及冷却水道的网格模型

3.2 冷却水道流动与传热计算的边界条件

3.2.1 缸内燃气的温度及壁面换热系数

3.2.2 缸内燃气温度处理方法的比较

3.2.3 缸盖的传热边界条件

3.2.4 冷却水道的流动边界条件

3.2.5 其他相关参数的设定

3.3 冷却水道的分析评价原则

3.4 起飞工况下冷却水道流场特性的分析

3.4.1 缸内极限高温工况分析

3.4.2 零海拔标准温度下冷却水道的流场特性分析

3.4.3 零海拔最高温度下冷却水道的流场特性分析

3.4.4 起飞工况下海拔对冷却水道流场特性的影响

3.5 续航工况下冷却水道流场特性的分析

3.5.1 海拔4900m标准温度下冷却水道的流场特性

3.5.2 续航工况下海拔对冷却水道流场特性的影响

3.6 严寒环境下缸盖及其冷却系统的暖机时间

3.6.1 冷却液入口温度恒定时缸盖的暖机时间

3.6.2 冷却液入口温度随时间的变化关系

3.6.3 冷启动时缸盖及冷却系统的暖机时间

3.7 本章小结

4 冷却水道参数及边界条件对其流场特性的影响

4.1 入口条件对冷却水道流场特性的影响分析

4.1.1 水泵流量对冷却水道流场特性的影响

4.1.2 冷却液入口温度对水道流场特性的影响

4.2 外界环境因素对冷却水道流场特性的影响

4.2.1 环境温度对冷却水道流场特性的影响

4.2.2 空气流速对冷却水道流场特性的影响

4.3 物性参数对冷却水道流场特性的影响

4.3.1 缸盖导热系数对水道流场特性的影响

4.3.2 冷却液物性参数对水道流场特性的影响

4.4 壁面粗糙度对冷却水道流场特性的影响

4.4.1 壁面粗糙度对速度场相关参数的影响

4.4.2 壁面粗糙度对缸盖和水道温度场的影响

4.5 发动机缸盖冷却水道流场特性的多参数影响分析

4.5.1 多参数影响下冷却水道壁面最高温度的计算

4.5.2 冷却水道多参数影响综合分析系统的建立

4.5.3 冷却水道综合分析系统的验证及改进

4.5.4 冷却水道综合分析系统的应用

4.5.5 冷却水道入口温度和水泵流量的关系

4.6 本章小结

5 冷却水道的结构改进分析

5.1 缸盖冷却水道改进的原则、目标及方法

5.1.1 冷却水道改进的原则及目标

5.1.2 冷却水道结构改进的方法

5.2 缸盖冷却水道的待改进区域及改进方案

5.2.1 原冷却水道模型的待改进区域

5.2.2 冷却水道结构改进的方案

5.3 冷却水道修改模型的流动分析

5.3.1 原冷却水道的流动分析

5.3.2 修改模型Ⅰ的流动分析

5.3.3 修改模型Ⅱ的流动分析

5.3.4 修改模型Ⅲ的流动分析

5.3.5 修改模型Ⅳ的流动分析

5.3.6 修改模型Ⅴ的流动分析

5.3.7 冷却水道改进模型的选定

5.4 冷却水道改进模型的流动与传热分析

5.4.1 改进模型速度分布的比较分析

5.4.2 改进模型压力分布的比较分析

5.4.3 改进模型壁面换热系数的比较分析

5.4.4 改进模型温度分布的比较分析

5.4.4 冷却水道改进模型的分析总结

5.5 缸盖火力面底板厚度分析

5.4.4 冷却水道模型Ⅲ的速度分析

5.4.4 冷却水道模型Ⅲ的温度分析

5.6 本章小结

6 结论

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

作者简历

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