某船用柴油机喷油冷却活塞内流动特性仿真

基于Ansys Fluent软件的多相流模型和动网格技术,对某船用柴油机活塞冷却油腔内的流动过程开展三维数值仿真分析,探究不同柴油机转速和喷油速度下冷却油腔内的流场分布规律.研究结果表明:润滑油进入活塞冷却油腔后其形态发生显著变化,伴随活塞上下往复运动,活塞冷却油腔内将填充足够的润滑油;随着柴油机转速的提高,润滑油填充率和捕捉率不断下降;而随着喷油速度的提高,二者不断上升,进一步强化了活塞换热能力.     

振荡作用下气液两相流的流动特性

为研究高强化活塞冷却油腔内气液两相流的振荡流动结构对其强化传热效果的影响,对矩形空腔内气液两相流的振荡流动过程进行了实验研究。结果表明:气液两相流在起振阶段和充分振荡阶段的振荡流动规律有着明显的区别,起振阶段两相流以"爬壁"运动为主,而充分振荡阶段两相流则以"绕壁"运动为主;振荡频率主要影响两相流中气泡的状态和湍流强度,而填充率则主要影响两相流的流动形态和运动规律,在起振阶段振荡频率和填充率对起振阶段时长和最大气泡尺度的变化都有显著影响,而在充分振荡阶段,振荡频率对于气泡尺度的影响要明显高于填充率。     

大型船用柴油机活塞多腔振荡冷却的强化机制

活塞是内燃机中热负荷和机械负荷最大的零部件之一,为了确保内燃机活塞的可靠性和寿命,大型船用柴油机往往采用振荡强化传热的方式进行活塞的冷却.为了理解振荡冷却的强化机制,首先进行了活塞冷却油腔壁面对流换热系数的分析,分解出常规流动换热分量、振荡强化换热分量和射流冲刷换热分量,并具体分析了振荡强化换热分量、射流冲刷换热分量和常规流动换热分量的分布特征.随后,基于正交设计方法,研究了活塞振荡腔不同结构参数对活塞内、外冷却油腔填充率和壁面对流换热系数的影响规律,为后续的活塞振荡冷却能力优化提供了方向.最后,针对原型活塞中内冷却油腔冷却能力不够的问题,进行了活塞振荡腔结构的优化.     

喷油冷却活塞传热过程的流固耦合分析

应用ANSYS Fluent软件建立发动机活塞及其冷却结构三维瞬态流-固-热耦合模型,通过燃烧计算得到燃气平均温度与平均传热系数,作为燃烧室壁面热边界;活塞及其冷却结构采用流固耦合计算,使用两相流流体体积(VOF)模型与动网格模拟活塞喷油冷却过程;通过瞬态传热数值仿真,得到活塞振荡油腔流场云图、油气分布云图、冷却油腔传热系数及活塞温度分布,与标定工况下活塞温度测试数据对比分析,研究结果表明:仿真结果与测试数据误差在5%以内,由此说明应用活塞流-固-热耦合仿真方法可以较好模拟柴油机活塞及其冷却结构瞬态传热。     

基于CFD的活塞振荡冷却的流动与传热仿真研究

由于柴油机热负荷不断提高,必须要对活塞进行有效冷却。应用计算流体动力学(CFD)方法对活塞的振荡冷却瞬态传热进行了仿真分析,得到了不同转速下冷却油腔的机油填充率以及壁面换热系数等随曲轴转角的变化规律。研究结果表明,随着发动机转速的提高,冷却油腔内的机油填充率下降,但是壁面换热系数却有所提高;机油的振荡冲击对冷却油腔顶部和底部的强化换热明显高于侧壁。此结果可为活塞有限元分析提供热边界条件,在活塞概念设计阶段为活塞的优化设计提供依据。     

内燃机活塞内冷油腔稳态综合传热预测模型

利用量纲为1的基础关联式,考虑活塞内冷油腔结构、两相流的物理特性和局部流动特性对传热系数的影响,分析不同缸径活塞在不同发动机转速时内冷油腔内流体的流动特性,建立对流换热系数的预测模型.结果表明:雷诺数和普朗特数乘积的自然对数值随发动机转速的增加而增大;在发动机转速相同时,随着内燃机活塞缸径的增加,内冷油腔内流体的雷诺数和普朗特数乘积的自然对数值随之增大.通过对比数值模拟和硬度塞试验测试结果可知,对流换热系数预测模型可有效预测内冷油腔的传热系数,能为内冷油腔的设计提供一定的理论依据.     

活塞环形油腔振荡冷却周向换热特性研究

为研究柴油机活塞环形油腔周向振荡冷却特性,在非惯性坐标系下应用流体体积函数(VOF)多相流模型,对活塞环形油腔振荡冷却进行了瞬态换热研究,得到了环形油腔周向壁面平均换热系数的变化规律,发现壁面平均换热系数的振荡幅度最大的并不是入口冲击的周向10°区域,而是周向20°区域.一个周期内油腔周向区域的壁面平均换热系数整体呈类"对数"减小的趋势,在周向10°~30°区域急剧减小,而后随着远离入口段,其值呈现先增大后减小的变化规律.最后通过两种方法计算活塞温度场并进行对比,发现使用18周向区域的壁面平均换热系数所计算的活塞温度场的顶部温度波动更大,更符合实际情况.     

振荡条件下金属颗粒对气液两相流动与混合特性影响的试验研究

为进一步提升柴油机活塞腔的换热性能,通过加入金属颗粒来提升振荡状态下的两相混合程度。采用振荡流动试验方法,结合数字图像处理技术,研究金属颗粒在振荡状态下的运动学特性和两相振荡流动特性,进一步讨论转速、充液率对金属颗粒运动和最大气泡直径和混合率的影响。结果表明：转速是影响气液两相流振荡流动效果的主要因素。随着转速的增加,金属颗粒到达方腔上壁面时间缩短,瞬时速度增大,相对于270 r/min,330 r/min冲击上壁面的平均速度变化率增加133%,冲击壁面的强度增加。相对于25%充液率,75%充液率的金属颗粒冲击上壁面的最大瞬时速度降低68%,充液率过高,降低颗粒冲击上壁面强度。50%充液率左右和高转速条件下,颗粒冲击壁面强度降低,但气液两相流混合程度最好。     

活塞喷油冷却的稳态数值模拟

本文利用CFD软件Fluent对活塞的喷油强制冷却进行了三维数值计算,模拟了活塞处于不同位置时,冷却机油在内冷油腔和活塞顶内壁空腔内的流动与分布,得到了不同位置时冷却机油在内冷油腔内的体积分数和质量流量。模拟结果为活塞冷却油腔的优化设计提供了依据。     

活塞喷油冷却的稳态数值模拟

本文利用CFD软件Fluent对活塞的喷油强制冷却进行了三维数值计算,模拟了活塞处于不同位置时,冷却机油在内冷油腔和活塞顶内壁空腔内的流动与分布,得到了不同位置时冷却机油在内冷油腔内的体积分数和质量流量。模拟结果为活塞冷却油腔的优化设计提供了依据。     

Investigations on the self-excited oscillations in a kerosene spray flame

A laboratory scale gas turbine type burner at atmospheric pressure and with air preheat was operated with aviation kerosene Jet-A1 injected from a pressure atomiser. Self-excited oscillations were observed and analysed to understand better the relationship between the spray and thermo-acoustic oscillations. The fluctuations of CH^∗ chemiluminescence measured simultaneously with the pressure were used to determine the flame transfer function. The Mie scattering technique was used to record spray fluctuations in reacting conditions with a high speed camera. Integrating the Mie intensity over the imaged region gave a temporal signal acquired simultaneously with pressure fluctuations and the transfer function between the light scattered from the spray and the velocity fluctuations in the plenum was evaluated. Phase Doppler anemometry was used for axial velocity and drop size measurements at different positions downstream the injection plane and for various operating conditions. Pressure spectra showed peaks at a frequency that changed with air mass flow rate. The peak for low air mass flow rate operation was at 220 Hz and was associated with a resonance of the supply plenum. At the same global equivalence ratio but at high air mass flow rates, the pressure spectrum peak was at 323 Hz, a combustion chamber resonant frequency. At low air flow rates, the spray fluctuation motion was pronounced and followed the frequency of the pressure oscillation. At high air flow rates, more effective evaporation resulted in a complete disappearance of droplets at an axial distance of about 1/3 burner diameters from the injection plane, leading to a different flame transfer function and frequency of the self-excited oscillation. The results highlight the sensitivity of the self-excited oscillation to the degree of mixing achieved before the main recirculation zone.     

Time resolved numerical modeling of oil jet cooling of a medium duty diesel engine piston

In medium to heavy duty diesel engines, ever increasing power densities are threatening piston's structural integrity at high engine loads and speeds. This investigation presents the computational results of the heat transfer between piston and an impinging oil jet, typically used to keep the pistons cool. Appropriate boundary conditions are applied and using numerical modeling, heat transfer coefficient (h) at the underside of the piston is predicted. This predicted value of heat transfer coefficient significantly helps in selecting right oil (essentially right oil grade), oil jet velocity, nozzle diameter (essentially nozzle design) and distance of the nozzle from the underside of the piston. It also predicts whether the selected grade of oil will contribute to oil fumes/mist generation. Using numerical simulation (finite element method), transient temperature profiles are evaluated for varying heat flux (simulating varying engine loads) to demonstrate the effect of oil jet cooling. The model, after experimental validation, has been used to understand the transient temperature behavior of the piston and the time taken in achieving steady state. High speed CCD camera is used to investigate the oil jet breakup, localized pool boiling and mist generation due to impinging jet on the piston's underside.     

柴油机活塞在流域换热冷却下的温度场计算分析

活塞作为低速机中承受极高热负荷的重要部件,实现活塞的合理冷却是保证柴油机安全稳定运行的必要手段。为了丰富国内关于低速机活塞复杂冷却腔冷却问题的研究,在借鉴前人研究成果的基础上,进一步分析研究了活塞在动态流域换热冷却下的温度场分布规律。研究发现,活塞的瞬态温度场和稳态温度场分布一致,最低温度均出现在顶面中心,顶面的温度变化趋势与缸内温度场变化规律一致。同时,通过活塞流域分析可知,冷却腔壁面的温度波动主要受冷却流域与壁面对流传热系数值的影响。     

缸内空气运动对直喷式柴油机喷雾特性影响的研究

本文采用高速摄影，利用激光衰减法，研究了小型直喷式柴油机缸内燃油雾特民生，特别是在缸内空气运动对燃油喷雾特性影响方面，进行了比较详细的研究，研究结果表明，在柴油机狭小的燃烧室内，自由喷雾得不到充分发展便得快与燃烧室壁面发生碰撞，故油束的锥角比较小，燃油的密集程度比较高，受空气涡流吹拂而发生弯曲的程度很小，较强的空气涡流会降低喷雾的贯穿速度。     

缸内直喷周向分层燃烧系统火花塞附近油束发展历程的试验研究

采用高速摄影技术研究了缸内直喷周向分层（简称DICSC）燃烧系统火花塞附近两根油历史潮流的发展历程。研究结果表明,喷雾混合过程中燃油碰壁、反弹现象非常明显,大多数燃油的雾化与蒸发产生于油束碰壁以后。靠近壁面处燃油浓度最大,向燃烧室中心方向浓度逐渐降低,沿周向、顺涡流方向形成了明显的由浓到稀的分层。因而,为了保证较好的着火稳定性,在DICSC燃烧系统中火花塞靠近壁面布置并处于油束下游一定角度比较合适,此外有浓度合适、易于点燃的混合气以便火焰能够顺利扩展。另外,还研究了不同涡流比和油束夹角下的油束发展历程。     

小型直喷式柴油机喷雾特性的试验研究

为了掌握喷雾的结构物特性,利用高速摄像装置和高压容器拍摄了喷雾的逆光图像,并研究了喷雾周围介质压力对喷雾贯穿距离、喷雾锥角以及蒸发等喷雾特性的影响。在液滴数密度较大的条件下,燃料液滴的蒸发速率传热过程和雾化质量的影响;喷射妆期喷雾的贯穿距离和贯穿速度几乎不受介质物影响;喷雾的贯穿跨离受喷油压力的影响不大,但随着喷油压力的提高,喷雾锥角增大,喷雾质量得到改善。     

用耦合分析法解决内燃机活塞传热问题

内燃机活塞处于复杂的受热状态：被缸内燃气的瞬时加热和冷却；活塞组与气缸套的动接触传热；冷却油腔及油束的对流换热等。确定上述各部分换热的边界条件成为活塞传热研究的重点和难点。本文采用耦合分析的方法将活塞及与其相互作用的各个部件作为一个整体进行研究，由此确定活塞各边界上的边界条件。并以110型柴油机活塞为实例，应用上述方法确定边界条件，对活塞进行三维有限元计算，计算结果同实验值良好吻合。     

Study of the steady and transient temperature field and heat flow in the combustion chamber components of a medium speed diesel engine using finite element analyses

The present work describes the development of a model for the calculation of the temperature field and heat flow in the combustion chamber components of internal combustion piston engines, which occur both under steady and transient engine operating conditions. Two and three-dimensional finite-element analyses were implemented for the representation of the complex geometry metal components (piston, liner and cylinder head). The model is applied for the piston and liner of a medium speed diesel engine, for which relevant experimental data exist in the literature. Special care is given for accurately specifying the thermal boundary conditions (temperatures and heat transfer coefficients). Gas side boundary conditions are calculated using a thermodynamic cycle simulation code, including spatial variation of the gas side heat transfer coefficient. Coolant sides (water on the external liner surface and oil on the piston undercrown surface) boundary conditions are calculated using correlations pertaining to real engine conditions. Also an effort is made to model the piston-ring belt-liner complex thermal paths using equivalent thermal circuits. A satisfactory degree of agreement is found between theoretical predictions and experimental measurements, revealing that the finite-element methods presented are successful in formulating this kind of problem, giving accurate results with reasonable computational cost. The utilization of the model reveals very clearly the essential role of engine operating transients (sudden changes in speed and/or load) in the generation of sharp temperature excursions in the metal components until a new steady state is reached. The phenomenon should be taken into account for correct engine design and safe operation (i.e. the avoidance of high local stresses).     

直喷式柴油机燃烧室内挤流谱的显示和挤流速度的解析

本文在一个拖动的单缸实验机上，利用油点条痕法显示了活塞上燃烧室凹坑中挤流运动的流谱，研究了燃烧室形状和几何尺寸对挤流谱的影响。实验表明，缩小喉口直径，增大缩口面角度将有利于形成强烈的环涡运动。本文还导出了考虑散热和活塞环漏气影响的轴向挤流速度和逆喷速度的解析关系式，该式表明散热和活塞环漏气使轴向挤流速度减小，逆喷速度增加。本文通过逆喷速度分布的解析分析，表明燃烧室侧壁逆喷气流速度可以表示为轴向平均     

气道和燃烧室形状对汽油机缸内流场影响的计算研究

为探究气道及燃烧室形状对汽油机缸内流场的影响,以某1.4L多点进气道喷射(MPI)汽油机为研究对象,利用AVL-FIRE软件对原机进气道形状进行稳态数值模拟计算,并对原汽油机在2 800r/min最低比油耗工况点进气及燃烧过程进行瞬态数值模拟计算。基于计算结果对进气道及燃烧室形状进行优化设计,提出4种计算方案,对优化前后各计算方案的缸内速度场、湍动能场、火焰前锋面密度和瞬时放热率进行对比分析。结果显示:改进气道的滚流比明显高于原机气道;结合改进气道,进气侧凸起活塞能够更好地维持滚流;在点火时刻,改进气道结合进气侧凸起活塞这一计算方案的缸内湍流分布及湍动能优于改进气道结合大曲率凹坑活塞、原机气道结合原机活塞(压缩比12)与原机计算方案,点火后火焰传播速度最大,燃烧速度最快。优化进气道及燃烧室形状能够加强缸内气流运动,提高点火时刻缸内湍流强度,加速火焰传播,改善燃烧过程。