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.     

柴油机过渡工况下气缸盖非稳定热负荷的试验研究与分析

本文主要研究柴油机过渡工况下气缸盖非稳定热负荷的测试技术,以便为有限元计算非稳定温度场和准稳态热应力场提供真实、可信的边界条件;为判断和评价气缸盖可靠性,为气缸盖及其他受热零部件的疲劳寿命提供实机温度、应力测试依据。试验是在一台S195型柴油机上进行的。本文着重考察最恶劣而又典型的起动和停机工况。在对发动机零部件无损条件下,用高温电阻应变片和露头型铠装热电偶测取该机气缸盖的温度历程,并在材料应力发生最大变化的区域中测取最危险点上的应变曲线。由应变实测历程发现柴油机受热零部件在突加工况下将出现应力峰值。文中所提出的方法,可满足柴油机设计、生产及使用部门的需要。由实测的温度扬可反求气缸内传热第三类边界条件,它比较真实地反映气缸盖所处复杂环境中的边界条件,与实测值能较好的吻合,从而为非稳定热负荷的理论计算提供了可靠的保证。     

基于AVL BOOST的16V190燃气发动机配气相位的仿真与优化

采用AVL BOOST发动机模拟分析软件建立16V190燃气发动机仿真计算模型,在额定转速、全负荷工况下,分别对不同的配气相位角度进行仿真分析计算,对比排气歧管温度、燃气消耗率、爆发压力及功率等参数,为确定合理的配气相位及改善发动机性能提供依据。     

Al-Si9-Cu3-Fe合金发动机缸体强度有限元分析

为研究Al-Si9-Cu3-Fe合金发动机缸体材料特性,建立该缸体热负荷分析模型对该发动机缸体进行有限元热-固耦合分析,采用对流换热分析模型进行有限元分析其在受热条件下的应力、在螺栓载荷下的应力与燃气压力条件下的材料应力,分别求得机械应力场和温度场综合热-固耦合模型应力,得出应力云图。分析结果表明:合金发动机缸体各项应力都小于材料最大屈服极限,发动机气缸体满足设计要求。     

长距离环路热管传热性能实验研究

基于航空航天等领域对环路热管长距离传热的需求,设计制造了一套传热距离8.1m的圆柱型蒸发器环路热管,试验了不同加热功率、不同冷凝温度下该环路热管的启动和变工况运行性能,并对其热阻及最大传热能力进行了分析。研究结果表明：当其他条件一致、初始气液分布相同和不同时,加热功率由100W增大至160W后,本研究中的环路热管启动时间和启动温升均发生一定程度的下降;加热功率100W时,冷凝温度由10℃降低至-10℃使得环路热管启动时间增加,加热功率160W时,冷凝温度由10℃降至-10℃对环路热管的启动时间影响不大。在冷凝温度0℃下,该环路热管在100~500W范围内均能稳定运行,且200W时环路热管传热效率最高,传热温差最小,稳定运行温度最低;另外,由于系统传输距离较长,每个工况达到稳定所需要的时间也较长,分布于1000至3500S内。随着加热功率的增大,环路热管热阻先减小后逐渐增大,该环路热管传热热阻最大不超过0.09℃/W,最小为0.024℃/W;随着传热距离的增大,管路的热损失增加,总压降和热阻也变大。当传热距离基本相同时,蒸发器容积的大小、冷凝器的冷凝能力及气液管线的布置形状均在一定程度上影响环路热管的最大传热能力。     

大功率天然气发动机气缸盖热状态试验研究

为了分析内燃机缸盖鼻梁区水腔局部真实的传热状况,以某大功率六缸天然气发动机为研究对象,在不同转速、不同工作负荷、不同冷却水温度和不同冷却水系统压力的工况条件下,对缸盖鼻梁区位置进行定点测温试验,并通过试验数据分析得出其测点位置处水腔壁面的传热状况及缸盖测点温度变化趋势。研究结果表明:在大扭矩高负荷工况条件下,鼻梁区水腔壁面处传热特性曲线非线性关系,基本处于过冷沸腾状态,与小扭矩低负荷下的单相对流传热相比,其传热强度更为剧烈;随着冷却水温度的增加,发动机缸盖测点温度整体提高,但各测点变化大小存在一定差异;提高冷却水系统压力,其测点温度也有明显升高。     

自由活塞发动机结构传热特性

建立了系统动力学、缸内热力学与结构传热耦合仿真模型,并试验验证了仿真模型准确性.通过仿真对比了相同结构及工况下燃烧室各部件在自由活塞式发动机与曲轴式发动机两种形式运行时热负荷、传热损失及结构温度上的差异性.结果表明:自由活塞发动机燃烧室部件所受热负荷的峰值和作用时间小于曲轴式发动机,具有较小的传热损失与较高的能量转换效率;受活塞运动规律的影响,其缸内燃气与缸套对流传热量占结构总传热量的比例较高;各结构关键点的温度值与温度波动幅度低于曲轴式发动机,热负荷较小,性能有进一步提升的潜力.     

自然吸气式CNG发动机主充模型的研究

为了准确预测自然吸气式压缩天然气(Compressed Natural Gas,CNG)发动机的空气流量,基于汽油机进气系统平均值模型,构建了CNG发动机的主充模型。根据CNG发动机进气系统的实际工作环境,引入了温度修正系数、体积修正系数、燃气量修正系数等参数,计算了不同工况下CNG发动机的空气流量。通过CNG发动机台架试验,测量了不同转速、不同进气歧管压力下的空气流量;对比分析了空气流量的计算值和试验值的方法,评估了模型的预测性能。结果表明,所建立的主充模型能较好的预测不同转速下空气流量随CNG发动机进气歧管压力的变化规律,空气流量的预测值与实验值的最大误差小于3%,模型具有较高的预测精度。     

考虑沸腾和缸内局部传热的缸盖流固耦合传热分析

以某商用车直列6缸柴油机作为研究对象,基于缸内传热模型获得内燃机缸盖和缸套的燃气侧局部传热边界条件;基于均相流沸腾传热模型获得水侧传热边界;实现水侧、燃气侧边界与结构温度场计算的耦合,并判断水腔内沸腾传热的状态。结果表明:缸盖温度计算值与实测值吻合,缸盖最高温度位于缸盖底面两个排气门之间;排气门之间的燃气传热系数和燃气温度均处于较高值,缸内局部传热显著;在缸盖底面中心和排气门附近水腔内的冷却水处于部分发展泡核沸腾状态。     

活塞动力学二阶运动的仿真方法与试验研究

采用多体动力学在时间域内迭代计算活塞、缸套及润滑油膜相互耦合子系统的运动学与动力学方程,在考虑活塞体径向刚度、活塞体及缸套冷热态型面的影响下,得到活塞主、副推力侧实际工况下的热态配缸间隙;动力学仿真方法计算出活塞二阶运动结果,包括:活塞主、副推力面间换向的径向运动和绕活塞销的转动;二阶运动对缸套的动态敲击力作为载荷边界条件施加在有限元模型上,计算出气缸体在活塞敲击下的振动响应;同时,在发动机台架上对气缸体两侧的活塞敲击处布置加速度传感器、以及布置缸内爆压传感器和上止点位置测量得到气缸体结构振动响应,试验结果验证了仿真模型的有效性.     

某天然气发动机冷热冲击试验分析

天然气发动机热负荷较高,其零部件在机械应力、热应力及交变应力复合作用下失效风险较大,如缸盖的热疲劳、缸垫的密封失效、缸体缸套开裂等。通过标定缸盖排气门之间鼻梁区和进气门之间鼻梁区温度确定冷热工况循环时间,对某天然气发动机进行5 000次的冷热冲击循环试验,试验期间发动机未出现明显故障,发动机功率、扭矩、天然气消耗量、排气温度和漏气量等参数基本无变化;试验前后发动机动力性、经济性参数变化较小,发动机通过了此次冷热冲击试验。     

汽油机动力性能试验设计与多目标优化研究

针对某高速汽油机中低转速工况下动力性能较差的实际问题，分别建立发动机一维模型和三维模型，计算分析导致汽油机在中低转速工况下动力性能差的原因并确定优化参数。在此基础上利用试验设计方法（design of experiment， DOE）分析了多影响因素共同作用对发动机动力性能的影响，随后采用遗传算法对原发动机动力性能进行多目标优化。优化结果显示汽油机在目标转速工况下的转矩和功率都有10%以上的提升，在中低转速工况下的动力性能得到较大提升。最后根据优化结果试制样机并进行台架试验，结果显示在5 000 r/min转速工况下，样机的转矩和功率分别提升29.7%和28.1%，样机相较于原机在中低转速工况下动力性能有较大提升，解决了原发动机在中低转速工况下动力性能较差的实际工程问题。     

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。     

变形对小型Wankel转子发动机端面漏气的影响研究

以计算得到理想状态下的缸内压力、温度、传热系数为初始边界条件,用有限元方法计算发动机温度场,用试验测得的温度场校核计算的准确性,然后将温度场结果作为已知条件计算变形,得到漏气面积并计算端面漏气初值。用漏气后转子发动机状态更新计算边界条件,进行循环计算,最终得到端面漏气量。之后,用此方法研究了转速对端面漏气量的影响,得出如下结论:发生变形后,转子与端盖之间的漏气面积在曲轴转角约630°时达到最大值,最大漏气面积随转速的增加呈拟线性下降趋势;漏气率在上止点附近达到最大值,在上止点附近端面漏气量约占端面总漏气量的50%。漏气率随发动机转速的增加逐渐减小,最大漏气率所对应的曲轴转角随转速的增加而减小。     

活塞稳态温度与工况关系拟合方案研究

部分负荷工况下的活塞稳态温度是发动机排放的优化计算的重要边界条件。我们对连续工况下活塞稳态温度进行测量,综合分析测试数据,用二次多项式对活塞温度与转速和扭矩的关系进行拟合,计算了中间工况下活塞温度,并就工况选取方案进行研究。结果表明,活塞温度分别随转速与扭矩的增加而呈现明显的增加趋势;二次多项式拟合方法能有效地获得中间工况下的活塞稳态温度,满足大多数工况下的工程计算精度要求,可用于预测未知工况下的活塞稳态温度,也为缸内三维燃烧和排放的活塞侧边界条件的获取提供了有力的支持。选取八个工况点进行拟合最优,拟合工况点应均匀分散,且包含转速与扭矩分别取极限值的四个工况。     

天然气发动机气缸盖冷热冲击试验方法研究

为了探究冷热冲击试验对天然气发动机气缸盖耐久测试的合理性,通过在某型号天然气发动机气缸盖上加装热电偶传感器,研究冷却水出口温度和转速对气缸盖温度的影响。结果表明：发动机稳定在额定点工况下,火花塞孔附近温度最高,排气门桥间温度最低,其中冷却水出口温度与气缸盖温度呈正相关;在标准冷热冲击试验工况下,气缸盖最大温差在100～150 K,取消标准冷热冲击试验工况的怠速和停机工况后,冷冲击阶段冷却水温度设置为30℃时,发动机高怠速工况时气缸盖最大温差在100～150 K,而低怠速工况时气缸盖最大温差在180～220 K,此时的温差对于天然气发动机气缸盖的影响较大。     

基于DOE的天然气发动机参数优化

在GT-Power软件中建立一个增压天然气发动机仿真模型,通过模拟数据与试验数据的对比来验证模型的准确性。利用GT-Power中的DOE模块在额定功率和额定转速下的工况下对增压天然气发动机性能进行了优化。其中以负荷、点火提前角、压缩比、进气门开启时刻、排气门开启时刻为影响因素,以最高爆发压力为约束条件,以发动机最大扭矩、最小燃气消耗量和NOx最小排放量为目标变量进行优化计算。结果表明:发动机采用优化参数后,最大扭矩、燃气消耗率等性能指标得到了改善,NOx排放量降低。     

柴油机瞬态工况烟度排放特性及分析

为了研究车用柴油机瞬态工况中,燃烧边界条件对燃烧过程的影响,在试验台上针对增压中冷柴油机在恒转速增转矩瞬态工况下的烟度排放特性进行了试验,并用商业计算软件STAR-CD对此瞬态工况下柴油机的燃烧过程进行了数值模拟分析。针对增压柴油机低转速大负荷排烟较差的特点,试验中发动机转速定为1000r／min,以3种不同的转矩变化率来考察柴油机瞬态工况下的排烟特性。结果表明,柴油机瞬态工况下和稳态工况下的燃烧边界条件有很大的差别,这种差别导致了柴油机瞬态工况下的烟度排放值要明显高于其相应的稳态工况。计算结果表明,随着转矩变化率的升高,最大初始放热率升高及燃烧持续期延长,这些差异同样导致排气烟度值增加。     

超燃模型发动机中引入催化重整燃气的试验研究

催化重整燃烧室能够产生氢体积分数高达16%的高温富油可燃燃气,所产生的可燃燃气从后支板供入到超燃模型发动机中,进行了直连式联调试验.在相同超音速来流状态下,与不通入可燃燃气的两种工况进行了压力、出口火焰形貌和壁面温度的对比,发现可燃燃气的加入能够在几乎不加入高压气堵情况下迅速着火,并能维持住稳定的超音速燃烧,在富油恶劣状态下,燃烧良好.结果表明,催化重整可燃成分在超燃模型发动机中起到了助燃和稳定燃烧的作用.     

陶瓷发动机燃烧室不稳定传热的数值分析

本文提出了一个在瞬态对流和热辐射边界条件下,陶瓷发动机燃烧室不稳定传热二维数值分析模型。其中,燃烧室零件的不稳定热传导采用了轴对称有限(?)法,瞬态对流和热辐射边界条件由发动机循环模拟模型得到。该模型可以用来预测陶瓷燃烧室表面薄层的温度波分布、瞬态温度场以及瞬态热流分布等。本文还讨论了陶瓷镀层厚度和发功机转速对温度波动现象的影响,并以活塞和缸套为例,介绍了在陶瓷燃烧室内所发生的瞬态传热过程。