船用柴油機活塞瞬態(tài)溫度場測試與分析研究.pdf

1、在柴油機工作時，燃燒室周圍部件同高溫高壓燃氣直接接觸。燃氣與燃燒室壁面之間的熱交換特性直接影響缸內(nèi)工作過程、熱效率、排放特性和熱強度。溫度場作為評價傳熱特性的主要參數(shù)，是燃燒室結構、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)設計的重要依據(jù)。通過對燃燒室各組成部件瞬態(tài)溫度場的數(shù)值模擬與試驗研究，能夠掌握仿真計算與動態(tài)測試的方法，準確描述和分析柴油機傳熱的微觀機理與熱流分布，提升燃燒室周圍關鍵部件的性能分析及評估能力。在燃燒室周圍部件中，活塞是運動件，其溫度場的仿

2、真計算與試驗測試的難度也最大，具有代表性。本文以活塞作為研究對象，完成了活塞瞬態(tài)溫度場的數(shù)值模擬計算、仿真精度影響因素分析、高動態(tài)響應溫度傳感器研制、實時無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)開發(fā)及三維瞬態(tài)數(shù)值模擬邊界條件確定方法等五項研究內(nèi)容。
　　1）建立活塞三維瞬態(tài)溫度場數(shù)值仿真計算模型，并以620單缸機活塞為具體研究對象，深入分析了活塞瞬態(tài)溫度場的特點。分析表明活塞的瞬態(tài)溫度場的溫度波動區(qū)主要集中在同燃氣接觸的表面，活塞內(nèi)部溫度劇烈波動區(qū)發(fā)生在

3、距離活塞表面2mm距離內(nèi)，在此區(qū)域內(nèi)瞬時溫度變化率峰值最高可以達到25℃/ms。
　　2）深入分析了燃氣與活塞壁面的熱交換系數(shù)、活塞環(huán)組與缸套的換熱系數(shù)、冷卻腔的換熱系數(shù)對數(shù)值模擬計算精度的影響。選取活塞燃氣側特征點、環(huán)區(qū)特征點、冷卻腔區(qū)特征點的溫度作為評價指標，采用相關分析方法研究了數(shù)值模擬過程中各關鍵參數(shù)及邊界條件對模擬結果的影響程度，進一步明確了提高活塞瞬態(tài)溫度場數(shù)值模擬與試驗研究的研究重點及技術要求。
　　3）根據(jù)活

4、塞瞬態(tài)溫度場的特點及數(shù)值模擬的精度驗證要求，開發(fā)了以高動態(tài)響應溫度傳感器和實時數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)為特征的溫度場測試系統(tǒng)。通過深入分析薄膜熱電偶的工作機理，研制了高動態(tài)響應測溫元件，并通過開發(fā)專用的激光高能量短脈沖標定系統(tǒng)完成系統(tǒng)的動態(tài)標定。開發(fā)了缸內(nèi)無線實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)了曲軸轉角分辨率優(yōu)于10CA的動態(tài)溫度場實時測量。
　　4）采用自行研制開發(fā)的瞬態(tài)溫度場測試系統(tǒng)在620單缸機試驗臺上進行了活塞溫度場的實測驗證，取得了活塞溫度

5、場關鍵點的動態(tài)溫度數(shù)據(jù)，通過測試結果與數(shù)值模擬的對比分析，發(fā)現(xiàn)采用經(jīng)驗公式作為數(shù)值模擬的邊界條件無法保證計算精度，某些特征點的動態(tài)溫度計算誤差超過10％。主要原因是現(xiàn)有的任何經(jīng)驗公式都無法準確描述活塞燃氣側的換熱系數(shù)，不同區(qū)域的換熱系數(shù)的數(shù)值甚至相差幾倍，表明采用動態(tài)溫度測試系統(tǒng)對相關邊界條件進行測試修正是完全必要的。
　　5）利用所研制的缸內(nèi)瞬態(tài)溫度測量系統(tǒng)的精確測量結果，設計了基于反求法的邊界條件修正算法，并驗證了修正方法的可