柴油机活塞内冷油腔换热特性的研究

发布时间：2017-10-20 22:25

  本文关键词：柴油机活塞内冷油腔换热特性的研究

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【摘要】：活塞作为内燃机重要的零部件之一,它在承受巨大的机械负荷的同时,其顶面还要受高温燃气的周期性加热作用,高热负荷使其成为了发动机中故障最多的零部件之一。若活塞温度过高会造成活塞环卡死、润滑油结胶、活塞的局部断裂或变形等。因此研究活塞的振荡冷却和温度场是十分必要的。本文采用了试验与数值模拟相结合的方法,研究各因素对内冷油腔流动和换热特性的影响;且对设计的不同形状内冷油腔的换热特性进行对比;最后对有、无内冷油腔和不同形状内冷油腔的活塞进行了温度场分析。得到结果如下:(1)针对某柴油机活塞4D,试验与数值模拟研究了不同喷油压力下的机油流量,并通过试验验证了数值模拟的结果。研究结果表明:在不同喷油压力下通过内冷油腔的机油量随着曲轴转角的变化呈现出先增加后减小的趋势;试验值与模拟值相对误差控制在6%以下,数值模拟的结果具有一定可信性;内冷油腔前侧截面的机油速度小于后侧截面的;油腔前侧壁面的机油体积分数高于后侧壁面的。(2)对活塞振荡冷却的研究表明:随着发动机转速的增加,机油捕捉率和填充率有所降低,但内冷油腔壁面的循环平均换热系数却有所提高,说明高频振荡可以强化换热;随着喷油速度的增加,机油捕捉率和填充率随之增大,内冷油腔壁面的平均换热系数整体上有所升高;随着机油温度的升高,机油捕捉率和填充率增加,但捕捉率的变化范围不大,内冷油腔壁面的平均换热系数有所下降;随着出油口截面积的增大,机油动态捕捉率和内冷油腔壁面的平均换热系数整体上有所提高,但填充率下降;进油口的几何形状越合理,机油的捕捉率、填充率和油腔壁面的循环换热系数就会越高;与中凸形的内冷油腔相比,柱形的换热效果要好;普通与特殊结构的油腔换热效果作对比,波浪形2普通形波浪形1;对比5种不同形状的内冷油腔换热效果,柱形波浪形2普通形中凸形波浪形1,但在一般实际工程中不会采用柱形。(3)对普通形内冷油腔、无内冷油腔、带有波浪形2内冷油腔的活塞进行温度场分析,研究结果表明:这三种活塞的整体温度分布均是从上而下逐渐降低,温度梯度也随之减小,活塞顶部的温度相对其他部位较高,活塞的最高温度和最低温度分别分布在燃烧室边缘处和活塞裙部下端内侧;与无内冷油腔相比,加入油腔后内冷油腔带走活塞头部的部分热量,活塞冷却效果得到增强,环岸和第二环槽区降温最为明显,燃烧室、内腔顶部次之,裙部下端降温最少;与普通形内冷油腔活塞相比,铸有波浪形2内冷油腔的活塞温降大体上在3℃左右。随着发动机强化程度的提高,建议某发动机公司更改活塞4D的内冷结构为波浪形2。
【关键词】：活塞 内冷油腔 振荡冷却 强化换热 温度场
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK423
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 课题背景及意义11
• 1.2 活塞喷油冷却方式的研究与比较11-14
• 1.3 国内外研究现状14-16
• 1.4 本文的主要研究内容及方法16-17
• 第二章 活塞内冷油腔流量试验17-22
• 2.1 活塞内冷油腔流量试验台17-18
• 2.2 试验过程18
• 2.3 试验结果18-19
• 2.4 试验结果分析19-21
• 2.5 本章小结21-22
• 第三章 活塞内冷油腔流量的数值模拟22-31
• 3.1 几何模型22-23
• 3.2 网格模型23-24
• 3.3 多相流模型24-26
• 3.3.1 VOF模型25-26
• 3.3.2 欧拉模型26
• 3.3.3 混合模型26
• 3.4 Fluent参数设置26-27
• 3.4.1 模型选择26-27
• 3.4.2 边界条件设置27
• 3.4.3 初始化27
• 3.5 数值模拟结果与分析27-30
• 3.5.1 模拟与试验结果的对比27-28
• 3.5.2 内冷油腔内机油的流动与分布28-30
• 3.6 本章小结30-31
• 第四章 活塞振荡冷却的数值模拟31-58
• 4.1 动网格模型31-32
• 4.1.1 弹簧近似光滑模型31-32
• 4.1.2 动态分层模型32
• 4.1.3 局部重划模型32
• 4.2 Fluent参数设置32-34
• 4.2.1 模型的选择33
• 4.2.2 边界条件33
• 4.2.3 动网格模型的选择33-34
• 4.3 内冷油腔流动特性的评估参数34
• 4.3.1 动态捕捉率34
• 4.3.2 机油填充率34
• 4.4 活塞振荡冷却的数值模拟结果与分析34-51
• 4.4.1 不同曲轴转角下内冷油腔壁面的机油分布情况35-36
• 4.4.2 发动机转速对内冷油腔流动与换热特性的影响36-40
• 4.4.3 喷油速度对内冷油腔流动与换热特性的影响40-43
• 4.4.4 机油温度对内冷油腔流动与换热特性的影响43-47
• 4.4.5 出油口截面积对内冷油腔流动与换热特性的影响47-49
• 4.4.6 进油口的几何形状对内冷油腔流动与换热特性的影响49-51
• 4.5 不同形状内冷油腔设计与对比51-56
• 4.5.1 柱形与中凸形对比51-54
• 4.5.2 普通形与波浪形对比54-55
• 4.5.3 不同形状的内冷油腔对比55-56
• 4.6 本章小结56-58
• 第五章 对比不同形状内冷油腔的活塞温度场58-66
• 5.1 活塞有限元模型58
• 5.2 活塞热边界条件58-60
• 5.3 活塞温度场分析60-64
• 5.4 本章小结64-66
• 第六章 结论与展望66-69
• 6.1 结论66-68
• 6.2 展望68-69
• 参考文献69-73
• 在读期间公开发表的论文73-74
• 致谢74

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 许宝余;;柴油机活塞三维温度场数值计算与分析[J];江苏船舶;2013年01期

2 王任信;陆健;李国祥;;活塞喷油冷却流场数值模拟[J];现代制造技术与装备;2010年05期

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本文编号：1069724