重载车用柴油机缸盖内冷却水流动分析及强化传热研究

重载车用柴油机缸盖内冷却水流动分析及强化传热研究

论文摘要

随着柴油机升功率的大幅提高,柴油机的冷却问题变得越来越突出,成为制约柴油机进一步发展的关键问题之一。本文以YC6M360系列柴油机为研究对象,针对其冷却能力不足、气缸盖鼻梁区出现热裂、冷却水经常开锅等问题,开展了整机热负荷、整机水流分布、气缸盖热负荷和气缸盖水流分布等试验以及冷却水套内冷却水流动与传热的数值模拟研究。对该型柴油机冷却系统的匹配和气缸盖冷却水套的结构进行了优化设计,结果表明,各种优化设计方案能较好的提高该机整机及气缸盖的冷却能力,从而降低了该机整机热负荷和气缸盖热负荷,较好的解决了该机所出现的气缸盖鼻梁区热裂、冷却水经常开锅等故障。在发动机冷却水流动模拟中,本文提出“如试验结果缺乏,可以利用不同的软件进行数值模拟来验证另一软件的数值模拟结果,只要模拟结果差异较小,就可认为该模拟结果是正确的”这一新的验证方法。针对使用FIRE软件进行的柴油机出水管内冷却水流动数值模拟,分别使用传统的试验验证方法和用另一软件Fluent进行数值模拟验证的方法进行了验证。验证结果表明:新的验证方法可用于验证另外的软件的数值模拟结果。利用数值模拟方法进行了基于正交实验设计的上水孔扰流强化传热的研究,分析了全新设计的气缸盖冷却水套中上水孔2和上水孔3不同直径对气缸盖内各区域对流换热系数(HTC)的影响,并针对不同指标得出两个上水孔直径的最佳组合方案。随后,提出了“气缸盖内各区域的整体流速可看成是某上水孔不存在时该区域的整体流速和该上水孔存在时对该区域的整体流速贡献的叠加”,以及“上水孔对各区域HTC的贡献包括因上水孔内冷却水流动而引起该区域内流速变化对HTC的贡献和湍动变化对HTC的贡献”的分析方法。并基于此方法,成功地分离出各上水孔直径时流经其中的冷却水在各区域的扰流对该区域的HTC的强化程度,为上水孔的扰流设计提供了理论指导。进行了气缸盖沸腾传热研究。通过数值模拟,对比了考虑冷却水沸腾和不考虑冷却水沸腾时气缸盖底部换热系数的变化。另外,也对比了不同沸腾模型时换热系数的变化,为以后进行柴油机冷却水套内流动与传热的数值模拟提供参考。最后,本文进行了气缸盖内流固耦合数值模拟,通过冷却水流场和气缸盖固体传热的耦合模拟,得出了气缸盖内温度场,并通过试验数据进行了验证,验证结果表明:误差在工程许可范围以内。通过流固耦合数值模拟,可以使柴油机在初始设计阶段就能详细地了解气缸盖内温度的分布,并在此时就可以进行气缸盖结构的优化,从而可以大大缩短设计周期。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 1 绪论
  • 1.1 课题研究背景及意义
  • 1.2 国内外研究现状及发展趋势
  • 1.3 本课题主要研究内容
  • 2 YC6M360 重载车用柴油机冷却系统研究
  • 2.1 引言
  • 2.2 重载车用柴油机冷却系统的总体设计
  • 2.3 冷却水泵主要参数设计
  • 2.4 原机整机热负荷实验研究
  • 2.5 改进后柴油机的整机热负荷试验研究
  • 2.6 本章小结
  • 3 CFD 介绍及数值模拟验证新方法研究
  • 3.1 CFD 发展及主要CFD 通用软件简介
  • 3.2 流体动力学控制方程
  • 3.3 湍流模型
  • 3.4 数值模拟的网格划分
  • 3.5 计算边界条件和计算控制方法等的定义
  • 3.6 数值模拟的试验验证及新验证方法的研究
  • 3.7 本章小结
  • 4 YC6M360 型重载车用柴油机冷却水套结构的分析及优化
  • 4.1 引言
  • 4.2 整机水流分布试验研究
  • 4.3 气缸盖热负荷试验研究
  • 4.4 气缸盖内水流分布试验
  • 4.5 冷却水套内冷却水流动与传热的三维数值模拟与分析
  • 4.6 针对已制品的各种优化方案改进效果的试验验证
  • 4.7 针对未来生产的优化方案改进效果的试验验证
  • 4.8 小结
  • 5 基于正交试验设计的上水孔扰流强化传热研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 正交试验设计方法在气缸盖上水孔扰流强化传热研究中的应用
  • 5.3 不同试验时的上水孔扰流强化传热的数值模拟研究
  • 5.4 基于正交试验设计的上水孔扰流强化传热的最佳化方案分析
  • 5.5 双层水套方案各试验时的气缸盖热负荷试验验证
  • 5.6 最佳方案中的上水孔的扰流强化传热分析
  • 5.7 小结
  • 6 气缸盖内沸腾强化传热的数值模拟
  • 6.1 引言
  • 6.2 沸腾传热对气缸盖内冷却的强化作用
  • 6.3 气缸盖内沸腾传热的数值模拟
  • 6.4 小结
  • 7 气缸盖内流固耦合数值模拟
  • 7.1 引言
  • 7.2 耦合数值模拟方法和流固耦合模拟流程
  • 7.3 内燃机工作过程数值模拟
  • 7.4 流固耦合数值模拟及结果分析
  • 7.5 小结
  • 8 全文工作总结与今后工作展望
  • 8.1 全文工作总结
  • 8.2 今后工作展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文
  • 附录2 攻读博士学位期间参与的主要科研项目
  • 相关论文文献

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