基于沸腾模型的内燃机缸盖多场耦合传热

通过车用天然气发动机,建立了包括冷却水腔内流动沸腾传热、气缸盖内固体导热及缸内进排气燃烧在内的多场耦合仿真系统.采用直接耦合算法进行气缸盖固体区域与冷却水腔流体区域流固耦合仿真,采用顺序映射的方式进行缸内燃气区域与流固区域多场耦合仿真.通过CFD软件中UDF功能嵌入合适的单相沸腾传热模型对缸盖水腔内传热进行分析计算,并在此基础上结合试验测量结果,对比分析发动机在不同冷却水温度与不同冷却系统压力下缸盖温度场变化趋势.研究表明:多场耦合仿真系统可以解决缸盖传热边界不易给定的难题,能够更真实准确地描述出缸盖复杂传热过程,且考虑沸腾传热因素后有助于提高在不同冷却条件下缸盖热关键区域温度场的计算精度.     

考虑沸腾换热的内燃机流固耦合传热分析

某发动机在开发过程中缸套顶部出现机油结焦现象.为分析原因,建立了该发动机缸盖缸体整机耦合传热模型,通过CFD三维仿真获得冷却水侧及缸内燃气侧的温度和对流换热系数分布,并映射至对应结构分析边界单元,建立了整机结构传热分析的边界条件;同时基于BDL单相流沸腾换热模型编写相关子程序考虑了沸腾换热的影响,求解分析了该发动机试验状态下的温度场,并进行了优化.计算表明,结焦现象发生区域温度明显高于机油碳化温度,同时沸腾换热对局部关键高热区影响可达15℃以上.为验证分析结果,分别测量了原方案和优化方案缸套顶部缸间温度,结果表明,考虑沸腾换热后缸间温度计算值与实测数据非常接近,采用优化方案后缸套顶部机油结焦问题得到排除.     

基于Chen模型的缸盖冷却水腔内沸腾传热研究

基于Chen模型研究了柴油机模拟冷却水腔内的沸腾传热,并与试验数据进行对比,验证了模型的适用性,并将此模型应用于柴油机缸盖及冷却水套内的耦合传热计算。计算结果表明:沸腾传热可有效提高冷却水的换热能力,降低冷却水套壁面局部高温区域的温度,降低缸盖本体的温度梯度,从而降低缸盖热负荷及热应力;考虑沸腾时,缸盖局部温度点仿真计算结果与试验结果误差更小。     

考虑沸腾换热的柴油机缸盖冷却水腔结构优化

采用CFD软件Fluent对某六缸柴油机冷却系统的流动和传热进行了数值模拟,对冷却水腔的流动性能进行了分析评估,结果表明,缸盖水腔局部区域流动分布较差,对此作出了相应的结构改进,改进后的缸盖水腔内流动和传热得到了改善。对改进后的模型建立了流体与固体之间的流固耦合传热模型,考虑了沸腾传热对缸盖温度场的影响,结果表明,水腔的沸腾传热有效降低了缸盖火力面鼻梁区和排气道侧的高温。     

基于沸腾传热模型的缸盖水腔设计判据

根据缸盖水腔内可能存在的传热状态及特点定义了强制对流区、部分发展泡核沸腾区、充分发展泡核沸腾区、临界裕量区和过渡及膜态沸腾区五种区域。基于对传热模型带来的误差和水腔设计安全裕度两方面的考虑,提出了缸盖水腔设计的临界极限判定方法。开发了缸盖水腔传热设计判据的软件模块,应用于两款发动机缸盖水腔的设计计算分析,重型商用车柴油机缸盖火力面温度计算值与测试值的最大误差为3.19%,平均误差为1.42%,表明新方法能够较准确地评价缸盖内的传热实际情况。紧凑型柴油机缸盖水腔设计中的应用说明新方法便于用来评判和指导缸盖水腔设计方案的改进。     

缸盖冷却水的沸腾传热模型

针对缸盖水腔内的冷却水流动沸腾传热计算,本文介绍了两种沸腾传热模型。模型认为流动沸腾总传热量等于泡核沸腾和单相流对流传热之和,介绍了常用的Chen模型,然后介绍了一种基于加权叠加方法基础上的。计算过冷流动沸腾传热的新模型Franz模型。     

发动机冷却水腔内沸腾传热的模拟研究

从单相流观点出发研究了两种计算过冷流动沸腾传热的思路:分区描述法和叠加计算法.提出了两个基于分区描述法的沸腾模型A和沸腾模型B;修正了基于叠加计算法的Chen沸腾模型和BDL沸腾模型中对流传热项的计算方法.利用这些沸腾模型进行了缸盖鼻梁区冷却水腔沸腾传热的数值模拟,并与试验结果进行了对比分析.结果表明:采用分区描述法和叠加计算法进行发动机冷却水腔内过冷流动沸腾传热计算均是可行且有效的方法;采用沸腾模型A和修正的BDL模型的预测精度比另两个沸腾模型要高;提高流速和过冷度均能强化沸腾传热的能力,提高压力后则在更高的壁面温度下才出现沸腾传热.     

柴油机缸内近壁面传热模型的研究

本文以ZS1100单缸水冷柴油机为研究对象,建立了一种适用于柴油机的缸内近壁面传热模型,模型保留Woschni关系式的形式,其中特征长度、特征压力、特征速度和特征温度的数值取燃烧室内三维瞬态仿真计算中贴近燃烧室结构壁面的第一层网格的数据,所以该模型具有非稳态时间特性和空间局部特性,从而能够反映内燃机缸内的非稳态局部传热情况。新模型中的待定系数使用缸盖底面测点的热流密度的试验数据确定。新模型计算时间增加很少,适用于工程计算。     

大功率柴油机缸内传热与热负荷分析研究

在对柴油机缸内燃烧和传热研究的基础上,结合所研究的柴油机缸内高温部件的实际结构,应用GT-POWER软件建立了某型柴油机整机数值仿真模型.通过对标定工况和最大扭矩工况下缸内热流分布以及各高温部件的温度场分析表明:高温燃气与活塞的对流传热量最大,缸套与冷却液的对流传热量远大于缸盖与冷却液的对流传热量;缸套、缸盖、活塞的最高温度在标定工况时均高于最大扭矩工况,进、排气门的最高温度在最大扭矩工况均高于标定工况;在所有缸内高温部件中,排气门头部温度最高,最大扭矩工况时达到813K.     

一种适用于缸盖水腔沸腾传热计算的模型

基于VC 6.0开发了一种单相流沸腾传热模型,通过引入空泡份额的概念将沸腾发生时的流场看作一个气液均匀混合的单相流,从数学上对该模型进行了描述并介绍了模型的数值实现方法.通过与试验结果的对比,表明模型适用于缸盖冷却水腔内沸腾传热计算.试验和计算结果还表明,压力对沸腾传热的影响较为明显.最后以226B型发动机水腔为工程应用对象,计算出了水腔内的空泡份额分布和水腔内的流速分布情况.     

陶瓷隔热发动机缸内传热研究

本运用１维边界层传热模型研究了燃烧室壁面温度变化引起边界层厚度及层中气体性质变化对缸内传热的影响，分析了陶瓷隔热发动机制工内的传热特性，并对其燃油消耗率上升，排温增高等原因，做出了合理的阐述。     

缸盖温度场反求方法研究

以柴油机缸盖为研究对象,在流固耦合计算缸盖温度场的基础上,探讨了应用导热反问题理论求解缸盖燃气侧传热边界的方法。开发了基于LM算法的反求程序,有效解决了算法的准确性和收敛性等问题。建立了缸盖温度场与其燃气侧传热边界的BP神经网络,利用遗传算法对该神经网络进行了优化。结果表明:优化后的网络测试样本的输出值相对误差较小,且计算得到的缸盖温度值相对误差也较小。     

风冷汽油机缸盖瞬态传热研究

本文介绍了作者在风冷汽油机上所进行的瞬态温度场测量及用表面温度法理论计算的研究结果。作者选 用的实验机型为１６５Ｆ－Ⅲ型风冷汽油机，通过在其缸盖在布置多支ＴＣＳ－Ｋ型薄膜热电偶，利用自行开发的测量系统，实测了在不同运转工况下的温度场。同时，还研究了沉积物对温度测量的影响。在此基础上，运用表面温度法，进行了局部瞬态换热系数的计算，并对结果进行了理论分析。     

BFM1015柴油机气缸盖的改进设计和试验研究

建立了BFM1015柴油机气缸盖进气道和冷却水腔的改进设计模型,对进气道的流通特性进行了试验对比和冷却水腔的流场分析对比,完成了气缸盖改进模型的砂芯快速成型和铸造加工。在单缸柴油机试验台上对改进设计的新气缸盖进行了试验研究并和原气缸盖的试验结果进行了对比分析。结果表明:安装新气缸盖的单缸柴油机在高转速时燃油消耗率比安装原气缸盖时明显降低,降幅最高达到7g/(kW.h);在相同负荷下,新气缸盖火力面的温度比原气缸盖显著下降,在排气门鼻梁区温度下降最明显,最高下降61.8K;新气缸盖的传热能力比原气缸盖提高约50%。     

耦合法在柴油机传热研究中的应用

利用流固耦合的分析方法,将柴油机气缸盖、气缸垫、气缸体、气缸套等柴油机主要零部件以及缸内气体、冷却介质作为一个耦合体,进行燃烧室部件的传热数值模拟实验。其中,冷却水侧的对流换热系数和温度由CFD软件Star-CD对整个水路进行模拟计算获得;底板火力面侧燃气的对流换热系数和温度由GT-POWER软件对缸内工作过程进行模拟获得;缸套燃气侧温度由活塞组——气缸套耦合传热模拟获得。最终的计算结果与实验数据较吻合,可以为柴油机热负荷分析和柴油机设计提供理论依据。     

柴油机缸盖循环瞬态温度场仿真计算分析

为研究柴油机缸盖零件在一个工作循环内温度场即循环瞬态温度场的分布、变化规律,应用有限元分析软件ANSYS对某柴油机气缸盖进行了循环瞬态温度场的仿真计算。结果显示：柴油机在稳定工况运行时,缸内燃气周期性热冲击造成缸盖底板壁面温度波动明显;沿缸盖高度方向,随着深度变大,温度波动幅度迅速变小,当深度为2mm时,温度趋于平稳;...     

Wall‐Confined Flow and Heat Transfer Around a Square Cylinder at Low Reynolds and Hartmann Numbers

This article discusses the results obtained through a two‐dimensional numerical simulation following a finite volume approach on the forced convection heat transfer for the hydromagnetic flow around a square cylinder at low Reynolds and Hartmann numbers. The magnetohydrodynamic (MHD) flow of a viscous incompressible and electrically conducting fluid is assumed to take place in a rectangular channel subjected to externally imposed magnetic fields and the cylinder is fixed within the channel. The magnetic fields may be applied either along the streamwise or transverse directions. Simulations are performed for the range of kinetic Reynolds number 10 ≤ Re ≤ 60 with Hartmann number 0 ≤ Ha ≤ 15 and for different thermal Prandtl numbers, Pr = 0.02 (liquid metal), 0.71 (air), and 7 (water) for a blockage ratio β = 0.25. A steady flow can be expected for the above range of conditions. Besides the channel wall, the magnetic field imparts additional stability to the flow as a consequence of which the recirculation region behind the obstacle reduces with increasing magnetic field strength for a particular Re. The critical Hartmann numbers for the complete suppression of flow separation in the case of a transversely applied magnetic field are computed. The rate of heat transfer is found almost invariant at low Re whereas it increases moderately for higher Re with the applied magnetic field. The heat transfer increases in general with the Reynolds number for all Hartmann numbers. Finally, the influence of obstacle shape on the thermohydrodynamic quantities is noted. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. Heat Trans Asian Res, 43(5): 459–475, 2014; Published online 3 October 2013 in Wiley Online Library ( wileyonlinelibrary.com/journal/htj ). DOI 10.1002/htj.21091     

传热对增压器径流涡轮叶片温度分布的影响

采用共轭传热计算方法,对某柴油发动机废气涡轮增压器径流涡轮流场进行了数值模拟,对比了叶轮在绝热和传热条件下温度分布的差别,研究了传热边界对叶轮温度分布的影响。结果表明,绝热条件下,叶片两侧的温度存在显著的温差,并且从叶轮进口到出口也有明显的温降;而传热条件下,相同叶高下的叶片表面温度分布近乎于一条直线,压力面和吸力面的温度几乎相同;在热平衡条件下,叶轮实体内的温度范围很小,不超过10 K,温度梯度较小表明由温差引起的热应力很小。     

各种因素对柴油机气缸内气体和壁面传热影响的研究

在一台单缸柴油机上，采用表面热电偶测量气缸盖壁面的温度波动，应用一维非稳态传热模型计算了气缸盖壁面不同位置的瞬态传热率。在此基础上，分析了转速、负荷、冷却水温、进气温度、压缩比、壁面不同位置等对壁面温度波动和瞬时传热率的影响，得出柴油机气缸内燃气和壁面间的瞬态传热与壁面温度波动水平有关，气缸内气流速度对气缸内传热有较大的影响等结论。