影响高速电主轴热学特性的有限元优化分析

选择电主轴的油—水换热系统中的换热系数和冷却套厚度两个因素进行研究,建立了对应的热学分析的有限元模型,运用ANSYS Workbench有限元分析软件,分析研究了热稳态下电主轴的温度场分布,并确定了油—水换热系统换热系数及其冷却套厚度这两个因素对稳态时电主轴最高温度影响的灵敏度和优化方案。研究结果表明,油—水换热系统换热系数对电主轴整体的最高温度影响最大,冷却套厚度次之,并得出当其换热系数在[2 800,3 000]W/(m~2·K)时,冷却套的厚度最优选择在4～4. 5 mm,若换热系数在[3 000,3 200]W/(m~2·K)时,冷却套的厚度最优选择4～4. 5 mm,最后经过前后优化后,使得整体最高温度降低1. 8℃。     

两气门柴油机缸盖火力面热边界条件的确定方法

为了在两气门柴油机缸盖传热的计算过程中,确定有效的缸盖火力面热边界条件,以快速、准确得计算出缸盖温度场,提出一种新的两气门柴油机缸盖火力面热边界条件的确定方法。在建立缸盖传热计算模型时,采用径向分区的思想施加缸盖火力面初始热边界条件,通过结合缸盖底部测点实测温度数据,研究得到缸盖火力面径向各区域最终换热系数值,进而拟合出缸盖火力面上换热系数随半径变化的函数关系式,将此函数关系式和当量循环燃气温度一起作为两气门柴油机缸盖火力面的热边界条件。最后以某两气门柴油机为例,建立整机流固耦合传热模型,对该方法进行了验证,计算结果表明:拟合公式法较常用的分区计算法具有更好的精度表现,为同类型的两气门柴油机缸盖传热计算提供了新的火力面热边界条件确定方法。     

汽油机横流冷却水套的优化设计研究

针对某小型增压强化三缸汽油机,通过采用挡板结构设计出了新型的横流式冷却水套,以加强对缸盖鼻梁区的冷却。采用三维流动数值模型对初步设计的横流水套结构进行了计算分析,研究发现:整体横流水套的换热效果良好,但是横流冷却水套整体压力损失过大,缸体水套局部流速分布不均匀。针对上述问题,提出了包括增加水套进出水口高度、布置导流结构及调整缸垫水孔和挡水板处水口等水套结构优化方法。改进后的水套整体压力损失减小为40.9kPa,各缸体上部冷却液流速分布更加均匀,从而为新型的横流式冷却水套的设计与应用提供一定的参考。     

热机耦合作用下缸盖热状态影响因素研究

为研究发动机缸盖在热机耦合作用下的热状态,利用流固耦合方法对缸盖的温度、耦合应力、热疲劳进行分析。然后,基于最优拉丁超立方法以及椭球基(EBF)神经网络模型建立燃烧强度、冷却液流动参数、机械载荷及火力面最高温度、最大耦合应力、低周热疲劳可用因子的近似模型,进行其影响因素的研究。分析结果表明:在燃烧强度的变量中,缸内温度和缸内换热系数对缸盖最大耦合应力以及热疲劳可用因子影响最大;提高冷却液进口温度,虽然降低了缸盖热疲劳可用因子但也升高了火力面最高温度,增大冷却液进口流速虽然降低了火力面最高温度但也升高了缸盖热疲劳可用因子;缸内最大爆发力对缸盖热疲劳可用因子、螺栓预紧力对缸盖最大耦合应力影响效果显著。     

基于同心环管冷却的高温轴设计

基于同心环管冷却理论,对工作温度为850℃的轴进行设计。在冷却水量为100t/h时,内壁强制对流换热系数为3 300 W/(m~2·K)。利用ABAQUS对高温轴进行传热和结构分析,结果表明:轴表面平均温度约162℃,轴强度、刚度满足设计要求。     

工质R245fa水平管内流动沸腾换热的试验研究

设计了管内沸腾换热系数及总传热系数测定试验台架,对R245fa工质在内径6 mm水平光管内的流动沸腾换热特性进行试验研究。测试质流密度为50~150 kg/(m~2·s),工质蒸发温度为50,60和70℃。结果表明:随着工质含汽率的增加,R245fa的流动沸腾换热系数呈先增大后降低趋势。对于304不锈钢套管式换热器,烟气与R245fa工质进行换热的总传热系数约在40~65 W/(m~2·K)。     

柴油机活塞的热机耦合计算研究

应用ANSYS分析软件,对某柴油机活塞的换热边界条件进行研究分析,以活塞表面的整个循环过程中的燃气温度和燃气传热系数以及缸套冷却水的温度和传热系数为第三类边界条件进行设置,计算得到活塞的三维稳态温度场分布规律.结果表明,该活塞顶部最高温度是519.9K,位于燃烧室偏置一侧的喉口上沿处,热负荷不高.以此为基础,计算了在标定工况下,该活塞在机械负荷和热负荷的热机耦合共同作用的应力和应变,最大耦合等效应力184MPa出现在活塞销座与销接触面上的上方销座内侧.     

排气管热负荷结构影响因素分析

排气管是发动机主要受热部件,工作环境恶劣,过高的热负荷会导致排气管变形失效甚至出现开裂,影响发动机的正常工作及其可靠性和耐久性。针对某高压共轨柴油机排气歧管热负荷问题,建立了排气歧管不同结构的流固耦合模型,分别进行了温度场和热应力分析,计算分析了不同结构因素对排气管热负荷的影响。研究结果表明:随着排气歧管出口长度的增加,最高温度由805.2℃升至820.8℃;随着出口直径的增大,最高温度由805.2℃升至819.4℃;出口位置变为中间对称部位,最高温度由805.2℃降低至784.0℃;排气管出口位置、长度和直径等结构因素对排气管热负荷影响很大,出口直径、出口长度分别为21 mm、5 mm,出口位置非对称时,排气管最大热应力为326.21 MPa;出口直径、出口长度分别为19 mm、5 mm,出口位置非对称时,排气管热应力出现最小值为174.1 MPa。     

4102型柴油机冷却水套CFD分析

发动机冷却水套的CFD分析是目前发动机缸体开发有效计算分析手段,具有开发准确性高、速度快的特点。在设计开发过程中,可以先不用制造实体样机,而是先通过CFD分析,进行缸盖水套的优化。尤其是在处理发动机热负荷较高的燃烧室及排气道周围有良好的冷却液流动。尤其在设计开发过程中,在没有样机水流试验数据的条件下,手段为发动机结构设计提供了强大的技术支持。本文利用CFD分析设计4102型柴油机发动机冷却水套,成功分析并优化了发动机缸盖的水套结构,保证在发动机热负荷,而压力损失相对较低。确定出了流动性较好且压降低的水套,确保了发动机有良好的机内冷却。     

商用跨临界CO2水-水热泵热水器系统特性试验研究

设计并搭建了带回热器的商用跨临界CO2水-水热泵热水器试验系统,并依据相应的国家标准对试验系统进行了多个工况的循环性能试验研究.试验结果表明,名义工况下出水温度85℃时制热COPh值为2.82,最大负荷工况下出水温度65℃时制热COPh值为3.68.冷却水进水温度越高,系统效率越低.同时试验结果表明, CO2作为制冷剂在热泵热水器的应用中更具有优势.     

柴油机缸盖流固耦合传热分析与实验验证

为了研究某柴油机工作时气缸燃烧和冷却系统共同作用下缸盖的温度分布,采用流固耦合的方法对其进行温度场分析。运用三维数值仿真计算技术对柴油机缸内的燃烧、冷却过程进行计算,以此得到柴油机缸内燃烧室温度场的分布状态、热换系数等参数,以及冷却系统中缸盖水套的温度分布状态、热换系数;再进行研究,得出冷却水套壁面、缸盖火力面的热边界条件。将上述过程得到的热边界条件应用于气缸盖有限元模型中进行传热耦合计算,最终得到柴油机气缸盖的温度场分布;为了验证此计算结果的有效性,对温度场分布结果进行实验验证,最终确定结果。实验最终表明,柴油机缸盖最高温度远远低于其材料的最高工作温度,分布较为合理。     

柴油机冷却系的使用与保养

(1)柴油机启动前,应向水箱加满清洁的软水,严禁柴油机无水启动或高、中速运转时骤加冷却水。冬季柴油机工作完后,应待机体温度下降到40℃以下时,再熄火放尽冷却水。不允许负荷作业后,即刻熄火放尽冷却水,以免缸盖、缸体产生裂纹。(2)冬季可用保温帘遮盖水箱进风面,防止温度     

水冷夹套器壁过热损伤的失效分析

夹套是一种典型的压力换热设备,广泛应用在反应釜、混合器、气化炉中。夹套内部冷却流体自身带压,夹套壁又同时承受较高的温度梯度,操作不当时极易发生失效。针对某厂电煅炉水冷夹套冷却系统中,水冷夹套外壁面出现烧穿、熔融,并导致炉体损伤破坏的失效原因进行了热耦合数值模拟分析。结果表明,在事故工况0. 025 MPa的进水压力下,冷却水无法完全充满夹套,夹套内部液相上方存在一个气相空间,导致夹套器壁局部出现过热现象,器壁温度高达1 379. 25℃,造成夹套外壁过热损伤乃至烧透。通过进一步分析,在设计压力为0. 1 MPa下,夹套具有较好的冷却效果,器壁温度低于557℃,冷却效果可以保证设备安全运行。     

变海拔条件下柴油机缸盖热状态变化规律研究

针对实际高原场景下,部分柴油机出现了缸盖局部烧蚀的问题,对不同海拔条件下柴油机缸内传热过程及其对发动机缸盖热状态的影响进行了研究,通过仿真手段计算得到了不同海拔条件下缸盖火力面的温度场分布情况。结合高原实机试验的具体数据,在确定缸盖热侧的边界条件时考虑了两种情况,分别是仅考虑对流换热以及同时考虑了对流和辐射换热的情况。通过对比两种边界条件下的仿真结果,分析研究了缸盖温度场随海拔高度的变化规律及其成因。研究结果表明,缸内对流传热量随海拔的上升逐渐下降,4 500 m海拔缸盖最高温度点温度较平原下降6.2%;缸内辐射和对流的传热总量随海拔高度的上升而上升,4 500 m海拔缸盖最高温度点温度较平原上升15.6%,说明了缸内辐射对换热产生的影响。     

燃气机气缸盖水腔流场及刚强度优化

针对某燃气机气缸盖"鼻梁区"冷却不足及缸盖整体刚强度不足的问题,采用高热负荷区域强迫冷却和布置加强筋的方法,对气缸盖水腔流场及刚强度进行优化设计。通过对原气缸盖和优化方案气缸盖进行冷却水腔计算及刚强度计算并进行对比分析,结果表明:优化方案气缸盖底板"鼻梁区"冷却能力明显改善;气缸盖整体刚强度明显增强,尤其是排气道下壁及排气道间"鼻梁区"等区域刚强度得到有效增强。     

柴油机城市拥堵工况冷却系统传热分析

试验采用模拟城市拥堵工况即选取了怠速、启停、加速-减速工况,分别对4105ZL柴油机热机状况下的机体燃烧室缸盖及冷却水套布置的测温点进行测温。结果表明:小循环模式下,鼻梁区高温位置更易出现过冷沸腾传热,热机怠速时间越长冷却效果越差,适当减少冷却液流量可利用过冷沸腾增强换热;频繁启停发动机过冷沸腾受抑制,不利于发动机散热;增加大循环冷却液流量提高热机状态下循环加速-减速缸体散热程度。     

高速柴油机活塞热负荷仿真与结构优化

为解决某四缸高速柴油机因活塞高温导致拉缸问题,在实测活塞工作温度的基础上,利用温度拟合法模拟计算活塞温度场,计算结果与实测温度良好吻合。将模拟计算结果作为温度载荷对活塞进行热负荷有限元分析:活塞头部和活塞裙部在直径方向上热变形均大于配缸间隙,活塞工作中热负荷过大是发生拉缸的真正原因。根据分析结果,对活塞结构进行适当的改进并进行模拟计算。结果表明:改进后活塞头部和第一环槽最高温度分别降低了23℃和26℃,验证了结构改进的合理性,避免拉缸故障的发生。     

临近空间光学遥感器热设计

为了保证光学遥感器在平流层空间热环境中安全可靠地工作,对工作在平流层内的光学遥感器进行了热分析。分析了运行在25 km以上空间的飞艇要经历的平流层的环境特点,包括平流层内的大气密度、温度分布等。建立了平流层光学遥感器的传热数学模型,分析了遥感器的迎风面、侧面和背风面在顺风飞行和逆风飞行情况下的对流情况,计算得到在逆风飞行和顺风飞行时迎风面、侧面、背风面的对流换热系数分别为5.009,8.259,3.33 W/(m2.K)和2.609,2.959,1.005 W/(m2.K)。最后,根据稳态换热平衡方程,利用热分析软件分析了光学遥感器在两种极端工况下的温度场分布。结果显示,采用热控措施后光学遥感器的轴向温差从15°减小到了2.7℃,飞艇与空气的对流换热系数随着它们之间的相对速度的增大而增大。结果表明,本文采用的热控手段可以减小遥感器的温差,这为进一步开展平流层光学遥感器的热分析奠定了基础。     

复杂薄壁壳体流固耦合仿真分析及试验研究

针对某涡轮增压器复杂薄壁燃进壳漏水现象,采用CFD流固耦合计算方法,分别仿真模拟了柴油机运行工况及增压器试验台运行工况温度、应力分布,并开展了试验测试。研究表明：燃进壳温度场分布均匀无突变,柴油机工况下燃进壳表面最高温度为212℃,最低温度为72℃,台位试验工况下,燃进壳表面最高温度为193.6℃,比柴油机工况减小18.4℃,台位试验测试与仿真模拟高度吻合,最大误差约为4.3%。应力计算表明：燃进壳应力分布均匀,柴油机工况下,最大等效应力为176MPa,最大等效应力小于材料屈服强度224MPa,安全系数1.27,台位试验工况下,最大等效应力分布在燃进壳冷却水流道,最大值约为230MPa。燃进壳理论计算应变与实际测试应变最大误差为4.11%,理论计算结果与实际测试结果吻合较好,燃进壳应力计算完全满足工程仿真精度要求,研究结成果为后续燃进壳寿命提升奠定理论计算基础。     

基于多场耦合的柴油机缸套变形分析

以某型非道路增压中冷柴油机为研究对象,应用流-固耦合传热方法,建立了缸盖-冷却液-缸套-缸体耦合传热模型,在对气缸盖火力面和缸套关键点进行温度测试的基础上,应用CFD软件进行了流-固耦合传热分析,研究了缸套在机械载荷、热载荷和联合载荷作用下的变形特征。研究表明:各缸套温度分布呈现明显的三段分布形式,最高温度出现在第一缸缸套顶部内侧;机械载荷作用下的缸套变形量较小,最大值出现在第四缸主推力面顶部内侧;热载荷和耦合载荷作用下的缸套变形都呈现"心"形状,最大变形量均出现在第四缸飞轮端方向的顶部内侧,分别为249.19μm和275.47μm,其中热载荷对缸套综合变形的贡献量最大。