高功率密度柴油機共軛傳熱基礎問題研究.pdf

1、內燃機整機耦合仿真思想的提出至今已有20余年，近年來發(fā)展速度較快并逐漸成為指導內燃機設計的重要手段。盡管國內外眾多學者應用該思想對多種機型進行了數(shù)值分析，然而至今還未能實現(xiàn)在統(tǒng)一的求解器中對流場、溫度場和應力場等多物理場同時進行計算，仍然需要在不同的求解器中進行迭代。同時，內燃機功率密度的不斷提高導致其熱負荷水平的激增，為了有效控制高功率密度內燃機較高的熱負荷對燃燒室組件可靠性的不利影響，同時優(yōu)化整機性能，必須深入開展高功率密度條件下流

2、動與傳熱的基礎問題研究。
　　本文以高功率密度內燃機高轉速、高增壓、高強度燃燒的特點為背景，建立了缸內工質循環(huán)的零維和多維數(shù)值模型，重點開展了缸內瞬時傳熱模型研究、高熱流密度下燃燒室組件材料熱物性的非線性效應研究，在此基礎上建立了缸內燃氣-燃燒室組件-冷卻介質的共軛傳熱數(shù)值計算模型，較深入地研究了燃燒、冷卻、材料、結構等因素對高功率密度柴油機燃燒室組件熱狀態(tài)的影響規(guī)律。主要研究內容及所得的重要結論包括:
　　1、基于熱力學、

3、流體力學、傳質傳熱學和化學反應動力學建立了缸內工質循環(huán)過程的數(shù)值計算模型，比較了零維模型和多維模型在計算結果上的差異，并分析了兩種模型的優(yōu)勢和不足，為后續(xù)研究燃氣側邊界條件的修正方法提供了理論依據。
　　2、開展了缸內瞬態(tài)傳熱模型的研究。對比分析了零維模型中幾種常用經驗公式在不同機型上的適用性以及多維模型中壁面函數(shù)法在燃燒室組件溫度場計算中的適用性，在此基礎上提出了適用于高功率密度柴油機傳熱計算的新的經驗公式以及分布函數(shù)，并用試驗

4、數(shù)據對其進行了驗證。
　　研究結果表明，隨著熱流密度的增加，利用傳統(tǒng)經驗公式進行燃燒室組件溫度場計算時，仿真結果與試驗數(shù)據的最大相對誤差接近30％;修正后的經驗公式及其分布函數(shù)在高功率密度柴油機穩(wěn)態(tài)傳熱計算中獲得了較好的應用，與試驗測試值的偏差小于5％。
　　3、收集和測試了燃燒室組件特殊材料的導熱系數(shù)、比熱容、熱膨脹系數(shù)、密度等熱物性隨溫度變化的特征數(shù)據，對比分析了高熱流密度條件下平板模型的非線性傳熱本構方程的解析解與數(shù)值

5、解的差異，掌握了不同熱流密度傳熱條件下平板內部溫度分布的變化規(guī)律，并通過感應加熱平板試驗驗證了材料物性的非線性效應。隨后對活塞等復雜結構的零件的導熱過程分別開展了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下的數(shù)值計算及試驗研究。
　　研究結果表明，當熱流密度超過1500kW/m2時，常物性設置與變物性設置所得到的計算結果之間的最大相對誤差超過10％;在大規(guī)模計算時，變物性設置所用的計算時間比常物性設置多出20％～30％;在高功率密度柴油機共軛傳熱計算中，活塞

6、、缸蓋、缸套等熱負荷水平較高的零部件，其熱物性需要設置為階梯函數(shù)形式。
　　4、建立了缸內氣體-燃燒室組件-冷卻介質的共軛傳熱數(shù)值計算模型。該模型將上述研究所獲得的缸內瞬時傳熱模型、固體區(qū)域非線性導熱模型結合在一起，獲得了較高精度的數(shù)值解。同時在某試驗機型上開展了整機熱狀態(tài)測量試驗，測試了燃燒室組件的溫度分布狀態(tài)，驗證了仿真計算的精度。
　　研究結果表明，該模型能顯著提升高功率密度柴油機燃燒室組件傳熱計算的精度，仿真計算結果

7、與試驗值之間的偏差小于5％，而傳統(tǒng)模型的仿真計算結果與試驗值之間的偏差接近30％。
　　5、在仿真計算中，通過改變熱側和冷側的邊界條件，計算分析了燃燒和冷卻因素對燃燒室組件熱狀態(tài)的影響;通過改變燃燒室組件結構和材料熱物性，計算分析了結構、材料等因素對燃燒室熱狀態(tài)的影響。根據以上分析結果，梳理了燃燒、冷卻、結構和材料各因素對燃燒室組件熱狀態(tài)的耦合影響規(guī)律。
　　研究結果表明，在諸多因素中，冷卻液流量對燃燒室組件熱狀態(tài)影響最為明