发动机气缸盖内复杂流动与传热的仿真研究

摘要

气缸盖作为发动机的关键零部件，结构复杂，在发动机工作过程中承受较高的热负荷和机械负荷。在某些设计不当或冷却不充分的地方容易造成局部过热，在高低频热冲击的作用下很容易产生裂纹而造成气缸盖的失效，影响发动机的强度和可靠性。因此，快速、高效地设计良好的气缸盖及其冷却水腔结构对于发动机的热负荷评价有着相当重要的意义。 本文以某型待开发的汽油发动机气缸盖及其冷却水腔为研究对象，通过分析发动机受热零部件的传热过程，结合冷却系统的结构及冷却液的流动特点，建立了发动机气缸盖内复杂流动与传热仿真计算的物理模型，并选定了相应的数学模型。 在确定气缸盖及其冷却水腔计算模型的基础上，通过对计算模型进行网格独立性计算，确定了既能满足计算精度又能充分利用现有计算机资源的网格尺寸，并对流、热耦合计算模型进行了合理的网格划分。对气缸盖及其冷却水腔流、热耦合计算的流动及传热边界条件进行了系统、详细地论述，通过计算对比确定了气缸盖底面热边界条件的最佳施加方式。 总结了气缸盖的设计评价原则。通过对经验设计的气缸盖及其冷却水腔在发动机最大热负荷工况下的流、热耦合计算结果进行评价，找出结构中存在的不足，并有针对性地提出三种改型设计方案。通过对改型方案模型计算并与原方案进行比较，确定出满足冷却要求的最佳设计方案。并在该方案模型的基础上，对影响气缸盖内复杂流动与传热性能的因素进行了分析，为气缸盖及其冷却水腔的进一步优化设计提供改进思路。

目录

文摘

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声明

致谢

1绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究意义

1.2发动机气缸盖内复杂流动与传热的仿真研究概况

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.2.3发动机燃烧室零部件整体耦合传热仿真难点分析

1.3研究方法及研究内容

1.3.1研究方法

1.3.2研究内容

1.4本文结构

2气缸盖内复杂流动与传热的数学模型

2.1.物理模型

2.2数学模型

2.2.1流体运动的控制方程

2.2.2湍流模型及壁面函数法

2.2.3本文所采用的数学模型

2.3数值计算方法

2.4 CFX软件介绍

2.5本章小结

3几何模型及网格划分

3.1几何模型的建立与简化

3.1.1几何模型的建立

3.1.2几何模型的简化

3.2计算网格的划分

3.2.1网格生成技术

3.2.2计算模型网格划分

3.3单值性条件

3.3.1初始条件

3.3.2边界条件

3.4本章小结

4气缸盖内复杂流动与传热仿真计算及分析

4.1计算参数的确定

4.1.1以平均燃气温度作为燃烧室表面环境温度

4.1.2以等效燃气温度作为燃烧室表面环境温度

4.1.3以循环瞬时燃气温度作为燃烧室表面环境温度

4.1.4燃烧室表面环境温度施加方式的确定

4.2气缸盖及其冷却水腔的流场和温度场计算结果及分析

4.2.1气缸盖的设计评价原则

4.2.2速度场分析

4.2.3温度场分布及换热分析

4.2.4压力损失分析

4.3气缸盖及其内部冷却水腔结构设计存在的不足及改进

4.3.1气缸盖及其内部冷却水腔结构设计存在的不足

4.3.2气缸盖及其内部冷却水腔结构改进

4.3.3改型方案模型与原方案模型计算结果对比

4.4本章小结

5气缸盖内流动与传热性能的影响因素分析

5.1环境参数的影响

5.1.1外界环境温度的影响

5.1.2空气流动速度的影响

5.1.3飞行高度的影响

5.1.4小结

5.2结构参数的影响

5.3流动参数的影响

5.3.1冷却液入口速度的影响

5.3.2冷却液入口温度的影响

5.3.3冷却水腔表面粗糙度的影响

5.4本章小结

6研究结论及今后工作展望

6.1全文研究工作总结

6.2今后工作展望

参考文献

作者简历