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。     

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。     

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。     

基于有限元分析的锻钢活塞内冷油腔设计

研究某高强化柴油机锻钢活塞内冷油腔设计,利用有限元分析软件对活塞设计方案进行模拟分析,通过对活塞温度场、销孔接触压力、各关键部位的疲劳系数对比分析,扁平形内冷油腔悬臂梁长,内冷油腔底部内侧和燃烧室底部疲劳系数偏低,有开裂失效的风险,悬臂梁缩短后内冷油腔和燃烧室疲劳系数显著提高,搭载发动机进行试验验证,活塞满足发动机使用要求。结果表明:高置大容积随燃烧室形状内冷油腔结构不仅影响活塞的冷却效果同时影响活塞的结构强度,内冷油腔底部与燃烧室底部悬臂梁强度要满足可靠性要求,活塞温度超过450℃建议采用42CrMo4材料。     

两相流振荡换热过程数值模拟分析

为深入了解振荡条件下的两相流运动过程与流动换热特性,采用数值仿真研究方法,摒弃活塞复杂的结构因素,以简化模型为研究对象,从基础问题出发探索各因素对两相流振荡换热过程的影响。通过一系列的数值模拟,直观地展现了油腔内两相流运动过程是高度紊乱的不对称流动。研究结果表明:除活塞二阶运动产生偏离外,油腔上下运动引起的压力变化也将引起油柱倾斜,造成喷油与油腔入口偏离;活塞运动产生的强制振荡是影响腔内流动换热波动的决定性因素,油腔表面传热系数、填充率等的波动频率都与活塞运动频率完全吻合。此外,研究还发现喷油速率、活塞转速等参数对填充率和传热系数都会产生显著的影响,但这些影响因素可能并不是单一作用而是相互耦合的。喷油油柱在进入油腔时的速度与活塞的最大运动速度之间的匹配度可能是影响油腔填充率及传热系数的一个关键因素;当喷油的绝对速度与活塞最大速度接近或大于活塞最大速度时,将达到较为理想的填充率和传热系数。     

内冷油腔结构对锻钢活塞换热的影响

为了探索内冷油腔结构改变对锻钢活塞冷却效果和结构可靠性影响的规律,利用ANSYS对锻钢活塞的温度场和应力场进行仿真计算.通过改变内冷油腔的轴向尺寸和径向尺寸,改变内冷油腔的轴径比和体积,进而研究内冷油腔变化对冷却效果产生的影响.研究结果表明:内冷油腔径向变化对活塞头部温度影响不大,对内冷油腔有一定的降温效果;内冷油腔轴...     

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.     

D系列柴油机缸套轴对称稳定温度场的有限元分析

本文对D系列柴油机的上部带凸缘的中部支承式缸套进行轴对称稳定温度场的有限元分析。在有限元分析中,采用Woschni经验公式计算气缸内燃气与壁面间的瞬时综合换热系数,并编制程序计算缸套内壁任一点的当地平均换热系数,用Hausen换热公式计算缸套外壁面与冷却水之间的换热系数,并根据缸套几个特征的壁面实测温度对换热系数进行适当的调整,以此来确定缸套温度场有限元计算的边界条件。计算结果表明,上部凸缘中支式缸套温度场分布不同于传统的上部支承式缸套。     

锻钢活塞有限元分析及优化

利用solidworks建立锻钢活塞模型,通过ANSYS对其温度场和应力场进行计算分析。结果显示,锻钢活塞的温度场数值整体较高,应力场最大值出现在销座内侧。通过改变内冷油腔的尺寸增强了锻钢活塞的冷却效果。     

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。     

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.     

气膜冷却平板通道的数值模拟

对无肋和带45°肋气膜冷却平板通道的三维对流换热与导热耦合传热问题进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格,湍流模型为SSTk-ω模型,近壁处采用壁面函数法,采用SIMPLEC算法求解速度和压力的耦合。计算获得了无肋和带45°肋气膜冷却平板的流场分布和平板内外表面的平均温度和平均换热系数。计算结果表明,带45°肋的气膜冷却平板表面平均温度较无肋气膜冷却平板表面平均温度低,而近气膜孔区域冷、热表面平均换热系数较无肋时高,而且肋的存在对增大冷空气出流比有利。     

孔_肋相对位置对通道各壁面换热影响

数值模拟了肋和气膜孔的相对位置对矩形通道4个壁面换热特性的影响,重点分析了通道4个壁面换热系数差别以及3种气膜孔位置换热.计算结果和实验数据吻合较好.结果表明:气膜孔位置对同时带肋和气膜孔的下壁面影响最大,孔在肋间上游换热最好,孔在肋中间换热次之,孔在肋间下游换热最差,气膜孔位置对光滑的左右壁面换热影响较小,对只带肋的上壁面几乎没有影响.肋的扰流和气膜孔抽吸使通道下壁面换热系数增幅最大,左右壁面次之,上壁面最小.沿着流动方向,肋扰流和气膜孔出流共同作用导致带肋壁面换热增强因子先增大后减小,光滑壁面换热增强因子先保持不变后减小.     

带冷却的涡轮叶片温度场耦合计算工程方法研究

集成涡轮叶片内部空气系统计算程序、表面外换热计算程序及壁温计算程序为一体,实现了带气膜冷却涡轮叶片内外换热及壁面导热的耦合计算,可以快速进行涡轮叶片温度场分布计算并为涡轮叶片内外部冷却系统优化设计奠定了基础.     

带肋矩形直通道内的冷却空气换热特性研究

采用ANSYS CFX商用软件对带肋矩形直通道内的冷却空气换热特性进行了数值计算,并与文献[4]的实验数据进行了对比,分析了雷诺数Re和肋片角度对努塞尔特数Nu的影响。结果表明:Nu数计算平均值与实验值的变化趋势一致,但计算结果大于实验值;由于肋片的扰流作用,在两个肋片之间的壁面区域产生了两个旋涡,强化了冷却空气与固体壁面的换热;随着Re数的增大,Nu数增大,平均摩擦阻力系数也增大;当肋片角度在45°～60°之间时,冷却通道的强化对流换热效果最好。     

入射角对气膜冷却效果影响的数值研究

采用Realizablekε-湍流模型对吹风比M=1.0时平板单圆孔不同入射角度的气膜冷却流场进行了三维定常数值模拟,得出了沿程速度、气膜冷却效率及壁面努塞尔数的分布,并对流场的流动和传热特性进行了详细分析.结果表明：随着入射角度的减小,射流在沿程方向的影响区域有所增加,最大速度点的位置逐渐下移,但并不是按入射角度减小成线性递减;在各种射流角度下,最大冷却效率均出现在气膜孔下游附近的区域,并沿程逐渐降低;当5〈x/d〈20时,冷却效率在入射角度α=10°时最大,α=70°时最小;射流下游壁面的Nu在分离点附近出现峰值,吹风比相同时,α=10°时Nu最大,α=70°时最小;在流动区域内存在反向涡旋对,小角度射流时气膜良好的贴壁性抑制了反向涡旋对的抬升和发展,其换热效果在展向的影响范围相对较小.     

透平叶顶气膜冷却效果数值研究

采用三维数值模拟方法,研究了GE E3发动机第一级透平动叶叶顶间隙内的气膜流动与换热特性,评估了气膜吹风比M分别为0.5、1.0和1.5时,对叶顶换热系数以及冷却效率的影响.计算结果表明:叶顶气膜冷却空气改变了叶顶泄漏流动特性,随着吹风比的增加,叶顶间隙内的泄漏流动区域不断缩小,从而导致叶顶间隙泄漏量不断减小;随着气膜冷却吹风比的增大,叶顶平均换热系数逐步降低;在M=1时,冷却效果最佳.     

带扰流片的矩形直通道内的流动与换热

建立了矩形直通道内三维可压缩流动与换热模型 ,对来流雷诺数Re在 1× 10 5～ 3× 10 5范围内 ,带顺排和错排扰流片的通道内部对流换热过程进行了模拟计算。计算结果表明 ,矩形扰流片具有明显的强化冷却效果 ,扰流片表面的对流换热系数明显高于光滑表面的值 ,有扰流片区域的壁面温度明显降低 ;错排扰流片与顺排扰流片相比 ,对流换热系数增大 4 %左右。计算结果归纳了传热和流动压降关系式。     

叶片前缘波纹形气膜孔不同参数冷却特性研究

为了解决涡轮叶片前缘的冷却问题,提出结构简单的波纹形气膜孔的概念。对影响孔冷却特性的4个重要参数(吹风比、倾斜角、扩展角和后倾角),采用4因素4水平下的田口方法进行优化,并采用数值计算的方法将其冷却效率与参考孔型(圆柱形气膜孔)进行对比。其中,固定前缘孔间距30 mm,斜向倾角23°,并与试验保持一致。结果表明：吹风比为1、倾斜角为30°、扩展角为20°和后倾角为0°的波纹形气膜孔结构,壁面平均冷却效率达到0.36,冷却效果最佳;同时,随着吹风比的增大,该气膜孔结构前缘壁面平均冷却效率增长趋势明显,且在吹风比为2时冷却气流依旧具有良好的贴壁性能,壁面平均冷却效率超过圆柱形气膜孔82.96%。