四缸柴油機缸蓋傳熱研究.pdf

1、隨著柴油機的不斷強化，氣缸蓋的傳熱與熱負荷成為一個非常重要的研究方向。本文以四缸柴油機為研究對象，從工程應用的角度出發(fā)，圍繞柴油機缸蓋傳熱展開全面的研究。建立氣缸蓋有限元模型、三維燃燒計算模型與冷卻水套模型，利用氣固耦合的方法得到燃氣側換熱系數(shù)與溫度邊界，利用液固耦合的方法相互提供各自的熱邊界條件，應用前后處理軟件，編寫解算程序，對各仿真模型缸蓋溫度場、熱應力進行分析評價。對冷卻液側、燃氣側采用不同邊界的計算結果進行對比，并考慮沸騰對冷

2、卻液側換熱系數(shù)的影響展開初步研究。最后通過Flowmaster2軟件對柴油機整個冷卻系統(tǒng)進行一維冷卻計算分析，結合Excel軟件的VB語言，分析整個冷卻系統(tǒng)的匹配情況，使整個冷卻系統(tǒng)各零件參數(shù)匹配合理。本論文共分為七章，包括以下內容： 回顧了國內外發(fā)動機缸蓋傳熱中占重要地位的冷卻水套研究現(xiàn)狀以及CFD(計算流體動力學)軟件技術的發(fā)展并介紹使用到的CFD、FEA(有限元分析)商業(yè)軟件，提出了本課題研究的目的及主要研究內容。針對目前

3、國內缸蓋傳熱研究的現(xiàn)狀，應用CFD分析方法重點對冷卻水套展開仿真研究，并利用流固耦合的方法實現(xiàn)缸蓋的溫度場分析。 介紹柴油機冷卻水套CFD分析流程，流程包括三維幾何分析模型的建立、計算網格的劃分、流體動力學控制方程、湍流模型及計算方法的選用，確定物理模型、計算方法和邊界條件后求解，結果收斂后進行后處理，對計算結果進行評價。 對四缸柴油機冷卻水套進行詳細的CFD分析，水套冷卻液流動和冷卻特性分析主要通過各區(qū)域流量分布、溫度

4、分布、換熱系數(shù)、壓力損失進行。通過速度場識別出滯止區(qū)、速度梯度大的區(qū)域，通過溫度分布分析可能產生氣泡引起開鍋的位置，通過換熱系數(shù)的分布評估水套的冷卻性能，通過壓力分布顯示出壓力損失大的區(qū)域。并最終通過簡要水流場試驗，觀測缸蓋頂部流動情況并與CFD計算結果對比分析。 針對CFD分析結果，提出各種改進方案，包括將缸體水套流動方式由縱流改為橫流以及對各缸墊水孔直徑進行改進，以提高各缸上水均勻性及改善流動，利用CFD分析手段對各改進方案

5、進行計算對比，以找到比較合理的方案。 利用已有的性能試驗結果標定了計算用的放熱規(guī)律，進行零維計算，為FEA計算與三維燃燒計算提供邊界條件。建立三維燃燒計算模型進行燃燒計算，進行氣固耦合分析，為缸蓋燃燒室區(qū)域提供更真實的熱邊界，對缸蓋水套分是否考慮沸騰進行CFD計算，為缸蓋溫度場分析提供不同的冷卻液側熱邊界，進行初次溫度場計算。 將各仿真模型通過FEA分析得到的水套壁面溫度作為進一步CFD計算的真實壁面邊界，映射出更真實的

6、冷卻液側熱邊界，實現(xiàn)三維流固耦合分析，對缸蓋溫度場做進一步評價。計算表明采用流固耦合分析算出的結果最接近測試溫度。在此研究方法基礎上對改進方案進行同樣的流固耦合計算，得到改進方案的溫度場與熱應力，并進行汽化試驗驗證，達到解決缸蓋熱裂紋故障的目的。 利用三維CFD分析結果做為邊界條件，應用Flowmaster2軟件對冷卻系統(tǒng)進行一維分析計算，并結合EXCEL軟件中的VB編程對整個冷卻系統(tǒng)的匹配情況進行評估分析，以確定合理的風扇、水