微型摆式发动机间隙流动机理研究及摆臂的气动设计

发布时间：2017-08-06 14:22

  本文关键词：微型摆式发动机间隙流动机理研究及摆臂的气动设计

  更多相关文章： 微型摆式发动机 间隙泄漏 离散速度方向模型 密封结构

【摘要】：随着便携式电子设备、单兵作战系统、微型无人机系统的发展,设备的小型化受制于能量供给单元的发展。微型摆式发动机由于能量密度高,功率密度大,结构简单等优势成为目前最具潜力的微型系统能量供给单元之一。但微型摆式发动机中摆臂与缸体之间的间隙泄漏问题严重影响发动机的效率,制约发动机运行性能的提高。针对微型摆式发动机的间隙泄漏问题,目前的设计主要采用宏观方法对泄漏量进行近似估算,而在发动机的实际间隙尺寸下,气体流动已经出现了明显的微观效应,采用宏观流动计算方法误差较大。因此本文采用更加精确的动力学方法—离散速度方向模型对微型摆式发动机间隙内的气体流动过程进行精确模拟,并设计了合理的间隙尺寸及密封结构来降低间隙气体泄漏。论文主要包括以下几个方面的工作：采用离散速度方向模型对平板间Couette流动和Poiseuille流动在滑流至过渡领域中的计算精度进行验证,并与线性化Boltzmann方程和Navier-Stokes方程方法的计算结果进行对比。计算发现,离散速度方向模型在滑流至过渡流域对流场中气体的速度分布、流量和剪切力的计算结果均与线性化Boltzmann方程吻合较好,尤其是在设计的间隙尺寸对应的流动领域内,离散速度方向模型能够显著提升间隙泄漏流量的计算精度,可以为发动机的气动设计提供更加可靠的数据。采用离散速度方向模型对摆臂与缸体间的间隙流动进行了数值模拟。通过控制间隙尺寸和摆臂运动速度得到不同Knudsen数和壁面运动速度下流场内的气体速度分布及流量值,并得出在不同尺度下影响气体泄漏及流场边界处速度滑移的主要方式。通过对发动机内燃烧过程的数值模拟得出不同工况下腔体内的气体成分及对应的温度值,在发动机实际运行过程中即可根据间隙尺寸确定在任一工况下的Knudsen数,从而为选择降低间隙泄漏的方式提供一定依据和参考。为减小间隙泄漏,提高发动机运行效率,同时考虑加工制造的方便,对摆臂结构进行优化设计。在摆臂上加工一定的密封槽,通过气体在密封槽间的节流过程及在槽内的涡耗散过程降低其在出口处的压力从而减小泄漏量。对密封结构内的气体流动情况进行数值模拟,通过分析得出密封结构的尺寸参数及发动机运行工况对密封效果的影响。计算结果表明,当密封结构参数一定时,由于发动机不同运行过程中压比的差异,膨胀过程的密封效果优于压缩过程；当压比一定时,密封效果会随密封级数的增多而增强,而密封槽宽度、深度和间距均存在最佳设计值。通过计算得出了在一定的压比和间隙尺寸下密封结构的最佳设计参数。
【关键词】：微型摆式发动机 间隙泄漏 离散速度方向模型 密封结构
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK401
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 微型摆式发动机间隙流动研究背景14-21
• 1.1.1 微型能源动力系统的发展现状14-17
• 1.1.2 微型摆式发动机系统的研究现状17-18
• 1.1.3 微型摆式发动机内的间隙流动问题18-21
• 1.2 微型摆式发动机间隙流动研究现状21-25
• 1.2.1 中尺度摆式发动机间隙流动21-23
• 1.2.2 微尺度摆式发动机间隙流动23-25
• 1.3 本文的主要工作25-28
• 第二章 离散速度方向模型验证28-40
• 2.1 离散速度方向模型简介28-32
• 2.1.1 离散速度方向模型的基本假设28-29
• 2.1.2 离散速度方向模型的控制方程29-30
• 2.1.3 控制方程的离散30-32
• 2.2 离散速度方向模型验证32-39
• 2.2.1 Couette流动32-35
• 2.2.2 Poiseuille流动35-39
• 2.3 本章小结39-40
• 第三章 微尺度摆式发动机摆臂与缸体间隙内气体流动计算40-54
• 3.1 计算条件设置40-41
• 3.2 计算结果分析41-52
• 3.2.1 摆臂运动及Knudsen数对速度分布的影响41-44
• 3.2.2 摆臂运动对间隙内气体流量的影响44-49
• 3.2.3 摆臂运动对间隙内气体流动阻力的影响49-50
• 3.2.4 Knudsen数对间隙内气体无量纲流量的影响50-52
• 3.2.5 Knudsen数对间隙内气体无量纲流动阻力的影响52
• 3.3 本章小结52-54
• 第四章 微型摆式发动机摆臂气动设计54-70
• 4.1 间隙泄漏对微型摆式发动机性能的影响54-60
• 4.1.1 内燃机燃烧过程数学模型简介54-55
• 4.1.2 零维模型的控制方程55-58
• 4.1.3 数值计算结果分析58-60
• 4.2 摆臂结构优化设计60
• 4.3 密封原理分析60-61
• 4.4 密封结构内部流场分析61-69
• 4.4.1 数值计算方法61-64
• 4.4.2 数值计算结果分析64-69
• 4.4.3 密封结构的最佳设计参数69
• 4.5 本章小结69-70
• 第五章 结论与展望70-72
• 5.1 研究结论70
• 5.2 未来研究展望70-72
• 参考文献72-76
• 攻读学位期间发表的论文76-78
• 致谢78-79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 任志勇;周锋涛;沈杰;;基于ADAMS的微型摆式内燃机振动特性分析[J];机械设计与制造;2011年06期

，

本文编号：630208