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。     

直接耦合法模拟计算活塞温度场

内燃机活塞处在复杂的受热状态,确定各部分换热边界条件成为活塞温度场研究的难点和重点.直接流热耦合法将活塞及与其相互作用同体和流体部分作为一个整体进行研究,将难以确定的外部边界条件转化为内边界,通过能量守恒的方法在固-液交界面上自动完成热量交换.使用CFD软件STAR-CD利用建立的活塞组、机体和冷却水套组成耦合模型,采用直接流热耦合方法计算了某汽油机活塞温度场,计算结果和实验值吻合得较好.     

基于有限元法的活塞-缸套-冷却水系统固流耦合传热研究

发动机活塞-缸套-冷却水组成的固流耦合传热系统涉及固体部件传热以及计算流体力学问题。确定此系统的内部边界条件成为发动机传热研究的难点。因此采用耦合分析方法将固体部件和流体部分作为一个整体进行研究。将活塞、缸套、冷却水系统内边界定义为wall边界，计算时自动在相耦合的两个体之间传递热交换条件，无需再进行单独定义，从而计算时可只定义系统外部边界条件。在进行有限元固流耦合传热计算方法研究基础上针对某6130发动机中活塞-缸套-冷却水系统进行数值仿真，所得结果相对试验结果有较高精度。     

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.     

柴油机活塞温度场和耦合应力计算

采用AVL BOOST软件对活塞的工作过程进行计算,得到了活塞的换热边界条件和最高燃烧压力;在此基础上,采用ANSYS有限元软件对组合式活塞有无冷却时的温度场和耦合应力及变形进行了分析计算;另外对活塞的连接螺栓进行了应力强度考核。     

燃烧室部件耦合系统循环瞬态传热模型的研究

引言 内燃机传热全仿真模拟是由缸内燃气与燃烧室部件以及燃烧室部件之间的耦合传热这两大部分组成的。其中燃烧室部件整体耦合系统的传热研究相当困难,这是因为活塞组与气缸套间的相对运动,使得确定运动部分的边界条件成了系统耦合传热模拟的最大难点,而这边界条件恰恰是影响模拟精度的关键。为此,本文将主要研究活塞组与缸套相对运动边界上的传热过程,并建立循环瞬态耦合传热仿真数学模型。１活塞组一缸套耦合系统的传热模型假设 在由活塞组和缸套组成的耦合系统中,活塞组和缸套是互为边界的。本文采用迭代算法来解决这部分边界条件…     

六缸柴油机冷却系统流动与传热的数值模拟研究

冷却水的流动与传热直接影响柴油机的冷却效率、高温零件的热负荷、整机的热量分配和能量利用。在冷却系统传热计算时，利用流固耦合的方法，较为准确地确定了缸体水套的传热边界条件。采用CFD商用软件STAR—CD对直列六缸柴油机的冷却系统的流动与传热进行三维数值模拟，给出了整机冷却水套内冷却液的流场、换热系数及压力场分布，为柴油机冷却水腔的优化设计提供了理论依据。     

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。     

12V400型柴油机整体球墨铸铁活塞的研究

整体球墨铸铁活塞是一种新型活塞。为了设计合理及缩短试制时间,我们用有限单元法对活塞的温度场、热流量分配及应力场进行了计算。本文介绍的计算方法是三角形剖分和二次插值,其精度较三角形线性插值为高,热边界条件可以输入第一类边界条件或第三类边界条件,也可以输入第一类及第三类的混合边界条件。可以节省计算时间,也减少了数据的准备及处理的工作量。本文还介绍了计算活塞时热边界条件的处理;及活塞振荡冷却腔冷却条件、活塞内腔冷却条件、冷却油温度、活塞材料导热系数和活塞顶部厚度等因素变化时,活塞温度场或应力场变化规律的探索。为设计、生产和运转提供了一定的资料。在12V400型柴油机的研究工作中,我们设计了一种整体球墨铸铁活塞。为了尽可能达到等强度、结构尺寸合理和重量轻等要求,采用高精度元有限单元法对活塞顶部的温度场及应力场进行了计算。计算中变换了各种热边界条件和一些结构参数,使计算结果比较符合实际情况;同时摸索热边界条件变化时对活塞温度场的影响,以便为优化设计探求规律及减少今后的试验工作量。由于对燃气侧的热边界条件所做的工作比较少,因此本文侧重点是活塞冷却侧热边界条件变化时对温度场影响的研究。     

三维有限元分析在发动机改进设计中的应用

为解决双缸水平对置风冷柴油机存在的活塞环粘结问题，首先对已知温度场的同类型的TY180F发动机活塞进行了三维有限元分析，以验证数学模型的正确性；然后建立了双缸风冷柴油机的三维有限元模型，按照TY180F发动机活塞的分析过程并充分考虑风冷柴油机传热的特点确定了传热边界条件，对活塞温度场进行了有限元计算和分析。最后根据计算结果对发动机冷却系统进行了必要的改进，试验结果表明改进后的活塞能避免活塞环粘结问题的发生。     

基于协同仿真环境的活塞三维耦合场分析与结构改进设计

基于ANSYS Workbench11.0协同仿真环境,运用第3类热边界条件与间接耦合分析方法,完成了某大功率150型柴油机活塞的热机耦合分析。分析发现,活塞销孔处综合应力偏高,在此基础上改进了活塞销孔结构,并采用DOE（Design of Experiments）优化设计方法对改进结构进行了尺寸优化设计,优化后活塞销孔部位应力降低22.6%。     

一种改进的活塞燃气侧换热边界修正方法

提出了一种活塞燃气侧换热边界修正方法。在传统经验公式基础上,该方法基于能量守恒定律修正活塞燃气侧换热边界,并以某柴油机活塞为例进行了验证。结果表明:该方法计算的活塞燃气侧换热边界比传统公式法精确,比三维燃烧过程仿真分析获得换热边界的方法高效,适用于柴油机设计阶段活塞温度场快速评估。     

船用柴油机活塞温度场边界条件分析研究与验证

活塞温度场边界条件由于其复杂性,一直没有一个很准确的预估方法。通过数据库形式收集整理多种活塞温度场历史预测与实测数据,采用均值预计、离散分布等方法,预估了某船用柴油机活塞温度场的温度边界条件,并采用有限元法进行预测;与此同时,采用硬度塞法对该活塞进行温度场测试。试验结果表明:采用该方法预测得到的温度场结果与实测结果吻合良好;得到的预测结果可为设计提供指导。     

Thermal analysis on piston of marine diesel engine

In this paper, an inverse heat transfer method is employed to conduct thermal numerical analysis on a 4-ring articulated piston of marine diesel engine. The secondary motion of piston and piston ring, and the lubrication oil film has been considered in estimating the coefficient of heat transfer values. Specially manufactured metal plugs were installed in the head of an articulated piston and the piston skirt to measure the temperature distribution of them. A Series of thermal couples were used for cylinder temperature measurement. The boundary condition for numerical simulation is verified with experiment result and applied to predict the temperature distribution of a new piston design which had small change of piston head profile and one less ring scheme. Reasonable agreement was obtained between prediction and experiment for the new design. Experiment result showed increase of temperature in low-temperature area and decrease of maximum value in high-temperature area. The thermal load of the top ring for new piston was lower than old one. The new design had some potential of intensifying improvement from the view point of piston thermal load.     

柴油机活塞热应力轴对称边界元数值分析

本在推出轴对称热应力问题的边界积分方程的基础上采用２次等参插值函数将边界积分方程离散为边界元方程，进一步运用开发的程序分析了某１３５柴油机活塞的热应力场，分析结果表明边界元法在动力机械零部件热应力问题的分析中，与其它数值方法相比，具有计算精度高，数据准备简单和计算时间少等独特的优点。     

基于缸内燃烧分析的发动机金属温度场计算方法

为了提高发动机缸盖、缸体金属温度场分析的准确度,提出了一种基于缸内燃烧分析的发动机金属温度场分析方法。首先,基于发动机的标定信息,进行了缸内的燃烧分析,研究了各部分边界上的对流传热量;其次,进行了水套的流动分析,对其传热系数进行了评估;再次,考虑了活塞环与缸壁的摩擦换热及活塞与缸壁的热传导;最后,基于上述的热边界条件进行了金属温度场的计算,并与试验进行了验证。结果表明:采用该算法,缸盖、缸体金属温度场分布比较合理,监测点温度与试验比较吻合。     

Thermal fatigue on pistons induced by shaped high power laser. Part II: Design of spatial intensity distribution via numerical simulation

In the laser induced thermal fatigue simulation test on pistons, the high power laser was transformed from the incident Gaussian beam into a concentric multi-circular pattern with specific intensity ratio. The spatial intensity distribution of the shaped beam, which determines the temperature field in the piston, must be designed before a diffractive optical element (DOE) can be manufactured. In this paper, a reverse method based on finite element model (FEM) was proposed to design the intensity distribution in order to simulate the thermal loadings on pistons. Temperature fields were obtained by solving a transient three-dimensional heat conduction equation with convective boundary conditions at the surfaces of the piston workpiece. The numerical model then was validated by approaching the computational results to the experimental data. During the process, some important parameters including laser absorptivity, convective heat transfer coefficient, thermal conductivity and Biot number were also validated. Then, optimization procedure was processed to find favorable spatial intensity distribution for the shaped beam, with the aid of the validated FEM. The analysis shows that the reverse method incorporated with numerical simulation can reduce design cycle and design expense efficiently. This method can serve as a kind of virtual experimental vehicle as well, which makes the thermal fatigue simulation test more controllable and predictable.     

活塞热冲击问题理论分析

摘要本文依据活塞受热特点,以R M Morse和H Feshbach提出的双曲线型导热方程为基础,建立了一种分析活塞热冲击问题的数学模型,并利用拉普拉斯变换对其进行求解.文中以PA6-280柴油机活塞为例,对热冲击期间活塞表面一层内的温度及热应力的变化规律做了较详细的分析.计算结果表明:活塞在热冲击期间表现的温度及热应力的动力学效应是必须加以考虑的.     

C6190ZL C-A柴油机活塞温度场有限元分析

活塞是柴油机的重要组成部件,承受着很高的热负荷,活塞的温度场可以直观的展现活塞温度及其热流分布,为活塞的设计和优化指明方向。本文利用Pro/ENGINEER4.0进行建模,结合Ansys11.0对C6190ZLC-A柴油机活塞温度场进行了分析。对柴油机活塞边界条件进行了研究。通过有限元分析,得出了活塞温度的分布情况,并与测量值进行了比较,得出计算的结果符合活塞实际温度的分布。     

ω型柴油机活塞温度特性计算机模拟

活塞作为内燃机最重要的受热零部件之一,长期处于恶劣的工作环境中,承受着很高的热负荷,容易形成热疲劳而损坏.本文在相同的稳态边界条件下,研究柴油机ω型活塞三种不同的设计方案:方案1,对活塞内腔做喷油冷却;方案2,给活塞加内冷却油道强迫冷却;方案3,给第一道环槽镶中空环槽镶圈.利用有限元ANSYS软件分别对三种方案进行模拟仿真,获得其温度特性,由此可为该型活塞的结构优化提供参考依据.