非道路高压共轨柴油机冷却水流动特性分析

发布时间：2017-10-25 10:42

  本文关键词：非道路高压共轨柴油机冷却水流动特性分析

  更多相关文章： 柴油机 冷却系统 热平衡 联合仿真 正交优化

【摘要】：发动机的热负荷一般由有较高的金属温度、金属温度梯度等应力应变或损失等相关参数来表示,而冷却的目的是要维持发动机部件的金属温度和温度梯度处于一个合适的水平上。高的热负荷会导致很多耐久性问题,例如气缸盖和排气管内出现裂缝,以及涡轮转子内的损伤,因此对发动机冷却系统提出了高要求。此外随着能源和环境危机的出现,为了满足严格的排放法规和改进发动机的经济性,也对发动机冷却系统提出更高的要求。因此管理热负荷已经成为现代涡轮增压发动机在设计上的一大挑战。为此,论文中以一款非道路高压共轨柴油机冷却系统为研究对象,结合发动机热平衡试验,采用一维与三维联合仿真的方法对发动机冷却系统进行模拟计算分析。(1)通过对发动机进行热平衡台架试验,获取计算模型的边界条件,并验证一维仿真模型的正确性。通过在额定工况和最大扭矩工况下对发动机进行热平衡试验,测量出发动机进出水温度、冷却液流量等,计算出冷却液的热量分配,评估冷却系统匹配的合理性,为整机冷却系统匹配提供设计依据。(2)结合发动机实际工作状态,利用一维软件GT-COOL对发动机冷却系统建立一维模型,分析发动机冷却系统在额定工况点和最大扭矩点处的温度场和流场,与试验进行对比,并分析水泵流量、风扇参数和散热器正面积对发动机进出口温度、温差的影响。(3)通过一维仿真获得边界条件,利用三维软件AVL fire对发动机冷却水套进行温度场、流场和压力场分析,并对发动机冷却水套改进方案提出依据。从CFD结果分析来看,整机水套基本满足冷却要求,冷却水套存在流动不均匀,各缸排气侧出现较小流速,甚至出现漩涡,在机体水套上部形成低速滞止区,发动机缸盖冷却水套第4缸的水套区域的流速较弱。从鼻梁区分析上看,除了第1缸的鼻梁区达到了冷却要求,其他缸的鼻梁区都没有达到冷却效果,且偏低。(4)基于正交设计方法对冷却水套进行优化。利用正交设计法建立冷却水套正交计算方案,得到冷却水套最优结构设计方案。结果表明,最优方案能较好的提高整机的冷却效果,其中,整机水套的平均流速及换热系数比原方案分别提高了13.1%、5.4%;机体水套的平均流速及换热系数分别提高了17.3%、15%；缸盖水套的平均流速及换热系数分别提高了9.5%、12.6%；鼻梁区的平均流速比原方案提高了18%;缸套上表面的平均流速比原方案提高了16.1%。
【关键词】：柴油机 冷却系统 热平衡 联合仿真 正交优化
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK421
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 发动机冷却系统研究现状12-16
• 1.2.1 一维仿真12-14
• 1.2.2 三维仿真14-15
• 1.2.3 耦合仿真15-16
• 1.2.4 试验研究16
• 1.3 论文研究的主要内容16-17
• 1.4 论文研究的技术路线17-19
• 第二章 发动机冷却系统的热平衡试验研究19-31
• 2.1 发动机热平衡试验介绍19
• 2.2 发动机热平衡试验的基础理论19-21
• 2.3 发动机热平衡台架试验测量21-25
• 2.3.1 试验对象21
• 2.3.2 试验设备21-24
• 2.3.3 试验台架总体布置24-25
• 2.3.4 试验方法25
• 2.4 发动机热平衡试验结果分析25-30
• 2.4.1 发动机冷却液流量分布分析25-26
• 2.4.2 发动机风扇的消耗功率分析26-28
• 2.4.3 试验得到的试验数据28
• 2.4.4 发动机散热量的规律分析28-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 发动机冷却系统一维计算模型的建立及分析31-43
• 3.1 一维流动和传热的基本方程31-33
• 3.1.1 连续方程31-32
• 3.1.2 动量方程32-33
• 3.1.3 能量方程33
• 3.2 发动机冷却系统一维模型建立33-37
• 3.2.1 发动机冷却系统的工作原理及结构33-34
• 3.2.2 换热器34-35
• 3.2.3 水泵35
• 3.2.4 节温器35-36
• 3.2.5 散热器36
• 3.2.6 风扇36-37
• 3.2.7 发动机冷却系统建模37
• 3.3 一维仿真结果分析及试验对比37-39
• 3.4 额定工况下发动机冷却系统性能影响因素分析39-41
• 3.4.1 水泵流量对发动机进出口温度及温差的影响39-40
• 3.4.2 风扇参考压力对发动机进出水温度的影响40
• 3.4.3 风扇体积流量对发动机进出水温度的影响40-41
• 3.4.4 散热器芯部正面积对发动机进出水温度的影响41
• 3.5 本章小结41-43
• 第四章 发动机冷却水套CFD仿真计算43-65
• 4.1 发动机冷却水套CFD介绍及软件应用43
• 4.2 发动机冷却水套三维计算的理论基础43-48
• 4.2.1 传热理论43-45
• 4.2.2 湍流模型45-46
• 4.2.3 数值计算方法46-48
• 4.3 发动机冷却水套模型分析48-52
• 4.3.1 几何模型48-50
• 4.3.2 网格划分50-51
• 4.3.3 设置边界条件51
• 4.3.4 冷却水套设计应满足的要求51-52
• 4.4 发动机冷却水套CFD计算结果分析52-63
• 4.4.1 整机冷却水套CFD分析52-54
• 4.4.2 机体水套CFD分析54-57
• 4.4.3 缸盖水套CFD分析57-60
• 4.4.4 上水孔对冷却液流动影响分析60-63
• 4.5 本章小结63-65
• 第五章 发动机冷却水套优化设计65-75
• 5.1 发动机冷却水套的结构优化方案的选定65-68
• 5.1.1 优化方法的确定65
• 5.1.2 影响因素的选择65-66
• 5.1.3 水孔布置的优化方案建立66-68
• 5.2 发动机冷却水套优化方案的模拟结果分析68-69
• 5.2.1 发动机冷却水套的流场分析68
• 5.2.2 发动机冷却水套的压力场分析68-69
• 5.2.3 发动机冷却水套的换热系数分析69
• 5.3 最优方案结果分析69-72
• 5.3.1 最优方案的机体冷却水套的流场分析69-71
• 5.3.2 最优方案的缸盖冷却水套的流场分析71-72
• 5.3.3 最优方案与原方案的改进结果分析72
• 5.4 小结72-75
• 第六章 全文总结与展望75-77
• 6.1 全文总结75-76
• 6.2 展望76-77
• 致谢77-79
• 参考文献79-85
• 附录A 攻读硕士学位期间参与项目及发表论文85-87
• 附录B 攻读硕士学位期间所获奖励87

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 冯召舒;;发动机冷却水套的设计[J];国外汽车;1977年01期

2 李宝童;洪军;孙静;徐海波;邱志惠;潘世翼;;发动机冷却液流动与传热的数值模拟[J];西安交通大学学报;2009年03期

3 李维民;钼电极冷却水套的结构改进[J];四川兵工学报;1996年04期

4 杨攀;许涛;阮仁宇;张良超;;某发动机冷却水套优化设计[J];内燃机与动力装置;2014年03期

5 崔翰星;徐向华;梁新刚;马寅魏;张蒙;;四缸柴油机冷却水套流动与传热仿真研究[J];工程热物理学报;2011年03期

6 陈竞;胡鹏;孙平;;柴油机机体和冷却水套温度场测量分析[J];内燃机;2014年03期

7 秦旭东;真空泵冷却水套铸件裂纹的补焊[J];航空工艺技术;1993年01期

8 陈美园;毕玉华;申立中;雷基林;张沛毅;;基于正交试验的发动机冷却水套优化[J];机械制造;2012年09期

9 金旭;薛冬新;宋希庚;;柴油机冷却水套流场的仿真研究[J];农业装备与车辆工程;2014年06期

10 陈小东,詹樟松;发动机冷却水套内三维流动的数值模拟研究[J];汽车技术;2004年12期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 李威;黄荣华;王兆文;;重型柴油机冷却水套的三维数值模拟及结构优化[A];湖北省内燃机学会2009年学术年会论文集[C];2009年

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 李佑长;四缸柴油机缸盖传热研究[D];武汉理工大学;2007年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 魏鑫;缸盖冷却水腔局部结构对疲劳强度的影响研究[D];浙江大学;2016年

2 蒋红美;非道路高压共轨柴油机冷却水流动特性分析[D];昆明理工大学;2016年

3 张伟;发动机冷却水套流场的分析与仿真研究[D];太原理工大学;2010年

4 李斌;基于流固耦合的发动机冷却水套—缸体传热研究[D];湖南大学;2012年

5 刘铁刚;柴油机冷却水套模拟分析及结构优化[D];吉林大学;2007年

6 陈志娥;冷却水套结构对卧式柴油机冷却水流动特性影响研究[D];昆明理工大学;2010年

7 武亚娇;轿车发动机冷却水套稳态流动传热仿真研究[D];浙江大学;2010年

8 徐娇;通舱管件冷却水套热固耦合分析[D];哈尔滨工程大学;2013年

9 于海洋;柴油机冷却水套匹配与仿真分析[D];辽宁工业大学;2015年

10 王建东;某发动机冷却系统的研究[D];南京理工大学;2008年

，

本文编号：1093381