柴油机气缸套冷却水空化流数值仿真研究

发布时间：2017-10-24 07:25

  本文关键词：柴油机气缸套冷却水空化流数值仿真研究

  更多相关文章： 缸套 穴蚀 流固耦合 数值仿真

【摘要】：柴油机气缸套的穴蚀是柴油机缸套失效的主要形式之一。缸套穴蚀和缸套冷却水空化流的流场特性密切相关。本文通过对缸套冷却水空化流的数值模拟,揭示缸套冷却水空化流的流场特征和发展过程,分析缸套穴蚀的影响因素,研究成果有助于柴油机缸套穴蚀机理分析和改善缸套抗穴蚀。二维数值计算结果表明,随着缸套周期振动,缸套附近流场的压力和气相体积组分也呈现一致的周期性变化特性。缸套壁的中上区域局部流场为冷却水主要空化区域。冷却水腔的截面形状、水温和热力学效应等对流场空化特性也有一定影响,随着冷却水腔流道变得狭长,同等振动频率和振幅下,流场空化现象变得严重,穴蚀程度提高;在水温60℃~70℃,缸套脉冲压力较高,水温为90℃,压力波动明显减弱,这是在此温度下水的密度、空泡的表面张力、水蒸汽的密度、水的粘度等因素对空泡溃灭压力综合影响的结果;由于现有的空化模型均为等温过程,本文基于Singhal空化模型建立了一种考虑热力学效应的空化模型。在蒸发过程中,由于温降,热力学效应修正项为负,使蒸发率减小。在凝结过程中,热力学效应项为正,使凝结率增大。修正的空化模型与原Singhal模型比较,计算获得的空穴区域范围减小,蒸汽含量降低。通过对某柴油机缸套-水腔冷却水进行二维和三维数值模拟,得出结果表明,在标况下,振幅最大的缸套壁区气相体积组分波动较小,所受压力峰值低,此区域穴蚀效果并不严重,不足以造成缸套破坏。
【关键词】：缸套 穴蚀 流固耦合 数值仿真
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK421
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 缸套穴蚀研究现状10-14
• 1.2.1 缸套穴蚀机理11-12
• 1.2.2 穴蚀影响因素12-13
• 1.2.3 缸套材料抗穴蚀性能13
• 1.2.4 穴蚀数值模拟13-14
• 1.3 本课题研究的主要内容及其意义14-16
• 第2章 缸套冷却水空化流数值模拟的CFD理论和数值方法16-31
• 2.1 引言16
• 2.2 流动基本控制方程16-17
• 2.3 湍流数值模型17-23
• 2.3.1 标准k- 湍流模型19-20
• 2.3.2 RNG k- 湍流模型20-21
• 2.3.3 Realizable k- 湍流模型21-22
• 2.3.4 剪切应力输运SST k-w模型22-23
• 2.4 壁面函数23-24
• 2.4.1 标准壁面函数法23-24
• 2.4.2 非平衡壁面函数法24
• 2.4.3 增强壁面函数法24
• 2.5 两相的混合流模型24-25
• 2.6 空化模型25-27
• 2.6.1 Singhal完全空化模型26-27
• 2.7 方程的离散和求解27-28
• 2.7.1 基于有限体积法的控制方程离散27
• 2.7.2 控制方程组的求解27-28
• 2.8 动网格计算方法28-30
• 2.8.1 动网格计算模型29
• 2.8.2 动网格更新方法29-30
• 2.9 本章小结30-31
• 第3章 缸套冷却水空化流的二维数值模拟31-49
• 3.1 引言31
• 3.2 数学模型31-32
• 3.3 冷却水腔二维几何模型及网格划分32-33
• 3.4 边界条件33-36
• 3.4.1 进口条件（速度入口）33
• 3.4.2 出口条件（压力出口）33-34
• 3.4.3 壁面条件34-36
• 3.5 计算方法36-37
• 3.6 冷却水空化流定常计算结果与分析37-38
• 3.7 冷却水空化流非定常计算结果与分析38-42
• 3.7.1 流场流速分布38
• 3.7.2 不同壁区处压力和气相体积组分变化38-39
• 3.7.3 冷却水空化流的流场特性变化39-42
• 3.8 其它计算模型42-48
• 3.8.1 几何模型及网格划分42-43
• 3.8.2 边界条件43
• 3.8.3 计算方法43
• 3.8.4 冷却水空化流定常计算结果与分析43-44
• 3.8.5 冷却水空化流非定常计算结果与分析44-48
• 3.9 本章小结48-49
• 第4章 缸套冷却水空化流的三维数值模拟49-62
• 4.1 引言49
• 4.2 流固耦合机理49-50
• 4.3 ANSYS+FLUENT流固耦合分析50-58
• 4.3.1 建模及网格划分51-52
• 4.3.2 固体部分计算52-57
• 4.3.3 流体部分计算57-58
• 4.3.4 System Coupling设置58
• 4.4 结果分析58-61
• 4.5 冷却水空化流二维和三维结果对比分析61
• 4.6 本章小结61-62
• 第5章 冷却水流场特性的影响因素分析62-74
• 5.1 引言62
• 5.2 冷却水腔的宽度对冷却水流场特性的影响62-63
• 5.2.1 定常计算结果与分析62-63
• 5.2.2 非定常计算结果与分析63
• 5.3 冷却水温度对流场特性的影响63-66
• 5.4 考虑热力学效应对冷却水流场特性的影响66-73
• 5.4.1 考虑热力学效应影响的Singhal空化模型修正66
• （1）添加热力学源项修正66-69
• （2）物性参数修正69-70
• 5.4.2 修正前后模拟结果对比分析70-73
• 5.5 本章小结73-74
• 第6章 结论与展望74-77
• 6.1 结论74-75
• 6.2 本文创新点75
• 6.3 今后工作的展望75-77
• 参考文献77-81
• 攻读硕士学位期间公开发表的学术论文81-82
• 致谢82

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