缸蓋內(nèi)沸騰傳熱流固耦合模擬及其可靠性研究.pdf

1、過冷沸騰傳熱是缸蓋冷卻水腔中存在的一種重要換熱方式,然而現(xiàn)有的沸騰傳熱模型并沒有考慮局部流動與發(fā)生沸騰時(shí)產(chǎn)生氣泡對流動沸騰傳熱的影響,同時(shí)也沒有考慮流速項(xiàng)對沸騰換熱量、臨界熱流密度點(diǎn)及空泡份額的影響。因此,應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展其模型,更加精確地模擬、預(yù)測和評價(jià)缸蓋冷卻水腔內(nèi)的沸騰傳熱現(xiàn)象,更加合理的設(shè)計(jì)缸蓋結(jié)構(gòu)。本文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)部分:
　　 1、在現(xiàn)有的單相流沸騰換熱模型的基礎(chǔ)上,考慮流速對沸騰換熱量和臨界熱流密度點(diǎn)的影響

2、,通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)建立空泡質(zhì)量控制方程,利用質(zhì)量與空泡份額的轉(zhuǎn)換關(guān)系反映兩相流的存在,基于線性疊加原理實(shí)現(xiàn)沸騰換熱量的引入,完整描述沸騰換熱曲線,進(jìn)而建立新的單相均勻流沸騰換熱模型,通過UDF與UDS子程序接口將模型嵌入CFD軟件中進(jìn)行聯(lián)立求解,利用該模型的模型結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比表明兩者結(jié)果吻合性較好。
　　 2、為方便沸騰換熱的模擬計(jì)算,在單相均勻流沸騰換熱模型的基礎(chǔ)上提出一種沸騰換熱的修正算法,通過對單相對流換熱的修正反映沸騰換

3、熱的影響;針對該模型在缸蓋水腔設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,提出以5mm參考截面高度內(nèi)的平均空泡份額值作為缸蓋冷卻水腔設(shè)計(jì)中沸騰換熱應(yīng)用的極限判據(jù),推薦的合理取值范圍應(yīng)在[0.20,0.94]之間,完整的建立了沸騰換熱體系。
　　 3、基于流固耦合算法的基本思想,結(jié)合缸蓋流動傳熱的特點(diǎn),在CFD與FEA軟件的基礎(chǔ)上采用C語言與Python語言開發(fā)出一種用于缸蓋冷卻水腔流動傳熱的自動化流固耦合模擬軟件;通過點(diǎn)云快速配準(zhǔn)算法與MPCI自動進(jìn)程控制管

4、理實(shí)現(xiàn)耦合面間大規(guī)模數(shù)據(jù)的快速匹配和不同進(jìn)程之間的自動排隊(duì)控制,采用Python語言實(shí)現(xiàn)不同軟件接口之間的數(shù)據(jù)傳遞與轉(zhuǎn)換。以226-B型柴油機(jī)為例,將該算法的模擬結(jié)果與傳統(tǒng)方法的模擬結(jié)果進(jìn)行對比表明該算法具有足夠的精度,具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　 4、針對某柴油機(jī)缸蓋,采用自行開發(fā)的自動化流固耦合算法對其進(jìn)行流動傳熱及熱負(fù)荷模擬計(jì)算分析,得到了壓力場、流場分布,根據(jù)計(jì)算結(jié)果對冷卻水腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改,更改后各缸流動均勻性得到明顯改善

5、,排氣門周圍及噴油器周圍流速得到提高。采用平均空泡份額極限值判據(jù)對冷卻水腔5mm平均空泡份額值進(jìn)行評判,平均空泡份額值均在極限值[0.20,0.94]之內(nèi),說明冷卻水腔內(nèi)沸騰狀況沒有出現(xiàn)過渡沸騰,不會發(fā)生熱損壞,反映出空泡份額極限值判據(jù)比速度判據(jù)具有更為廣泛的意義?？紤]沸騰換熱影響后,沸騰強(qiáng)化傳熱對缸蓋冷卻水腔內(nèi)傳熱的作用十分明顯,不可忽略。
　　 5、采用三種實(shí)現(xiàn)方法利用沸騰換熱修正算法對缸蓋進(jìn)行溫度場模擬,模擬結(jié)果表明三種實(shí)

6、現(xiàn)方法的結(jié)果具有較好一致性;從模擬迭代收斂時(shí)間和實(shí)現(xiàn)過程的難易程度上看,采用方法二進(jìn)行沸騰換熱的修正模擬最為合理。對比單相均勻流沸騰換熱模型與修正算法的模擬結(jié)果表明兩種算法的結(jié)果具有較好一致性。為驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性,在距缸蓋火力面6mm處布置3個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行溫度場測量試驗(yàn)。將測量結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比:表明單相均勻流沸騰換熱模型及修正算法都具有足夠的模擬精度。
　　 6、采用有限元分析方法,對缸蓋進(jìn)行機(jī)械、熱機(jī)耦合應(yīng)力模擬并在此基