缸盖内沸腾传热流固耦合模拟及其可靠性研究

论文摘要

过冷沸腾传热是缸盖冷却水腔中存在的一种重要换热方式,然而现有的沸腾传热模型并没有考虑局部流动与发生沸腾时产生气泡对流动沸腾传热的影响,同时也没有考虑流速项对沸腾换热量、临界热流密度点及空泡份额的影响。因此,应进一步发展其模型,更加精确地模拟、预测和评价缸盖冷却水腔内的沸腾传热现象,更加合理的设计缸盖结构。本文的主要研究内容包括以下几个部分：1、在现有的单相流沸腾换热模型的基础上,考虑流速对沸腾换热量和临界热流密度点的影响,通过数学推导建立空泡质量控制方程,利用质量与空泡份额的转换关系反映两相流的存在,基于线性叠加原理实现沸腾换热量的引入,完整描述沸腾换热曲线,进而建立新的单相均匀流沸腾换热模型,通过UDF与UDS子程序接口将模型嵌入CFD软件中进行联立求解,利用该模型的模型结果与试验结果对比表明两者结果吻合性较好。2、为方便沸腾换热的模拟计算,在单相均匀流沸腾换热模型的基础上提出一种沸腾换热的修正算法,通过对单相对流换热的修正反映沸腾换热的影响；针对该模型在缸盖水腔设计中的应用,提出以5mm参考截面高度内的平均空泡份额值作为缸盖冷却水腔设计中沸腾换热应用的极限判据,推荐的合理取值范围应在[0.20,0.94]之间,完整的建立了沸腾换热体系。3、基于流固耦合算法的基本思想,结合缸盖流动传热的特点,在CFD与FEA软件的基础上采用C语言与Python语言开发出一种用于缸盖冷却水腔流动传热的自动化流固耦合模拟软件；通过点云快速配准算法与MPCI自动进程控制管理实现耦合面间大规模数据的快速匹配和不同进程之间的自动排队控制,采用Python语言实现不同软件接口之间的数据传递与转换。以226-B型柴油机为例,将该算法的模拟结果与传统方法的模拟结果进行对比表明该算法具有足够的精度,具有重要的应用价值。4、针对某柴油机缸盖,采用自行开发的自动化流固耦合算法对其进行流动传热及热负荷模拟计算分析,得到了压力场、流场分布.根据计算结果对冷却水腔结构进行更改,更改后各缸流动均匀性得到明显改善,排气门周围及喷油器周围流速得到提高。采用平均空泡份额极限值判据对冷却水腔5mm平均空泡份额值进行评判,平均空泡份额值均在极限值[0.20,0.94]之内,说明冷却水腔内沸腾状况没有出现过渡沸腾,不会发生热损坏,反映出空泡份额极限值判据比速度判据具有更为广泛的意义。考虑沸腾换热影响后,沸腾强化传热对缸盖冷却水腔内传热的作用十分明显,不可忽略。5、采用三种实现方法利用沸腾换热修正算法对缸盖进行温度场模拟,模拟结果表明三种实现方法的结果具有较好一致性；从模拟迭代收敛时间和实现过程的难易程度上看,采用方法二进行沸腾换热的修正模拟最为合理。对比单相均匀流沸腾换热模型与修正算法的模拟结果表明两种算法的结果具有较好一致性。为验证数值模拟的准确性,在距缸盖火力面6mm处布置3个测点进行温度场测量试验。将测量结果与模拟结果进行对比：表明单相均匀流沸腾换热模型及修正算法都具有足够的模拟精度。6、采用有限元分析方法,对缸盖进行机械、热机耦合应力模拟并在此基础上进行疲劳分析,根据模拟结果对缸盖结构提出更改措施,更改后满足强度疲劳要求；同时对比分析了沸腾换热对应力疲劳的影响,沸腾换热可以使缸盖保持在较低温度环境中工作,使缸盖鼻梁区和冷却水腔应力降低,安全系数增大,火力面的低周疲劳性得到改善,增强材料的抗热疲劳性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 缸盖流动传热研究概况
• 1.2.2 流固耦合算法的研究概况
• 1.2.3 沸腾换热研究现状
• 1.2.4 缸盖热-机械耦合疲劳研究概况
• 1.3 课题研究的主要内容及技术路线
• 第二章 沸腾传热体系建立及试验验证
• 2.1 沸腾换热描述
• 2.2 沸腾换热模型
• 2.2.1 叠加模型
• 2.2.2 分区模型
• 2.3 单相均匀流沸腾换热模型
• 2.3.1 空泡质量的控制方程
• 2.3.2 空泡份额的求解方程
• 2.3.3 沸腾换热量的数学模型
• 2.4 模型的数值实现及试验验证
• 2.4.1 计算模型及边界条件
• 2.4.2 数值模拟结果分析
• 2.4.3 试验结果对比分析
• 2.5 沸腾换热修正算法
• 2.6 空泡份额极限值设定
• 2.6.1 空泡份额极限值上限确定
• 2.6.2 空泡份额极限值下限确定
• 2.7 本章小结
• 第三章 自动化流固耦合传热软件设计
• 3.1 流固耦合算法的原理及方法
• 3.1.1 流固耦合算法的原理
• 3.1.2 流固耦合投影算法
• 3.1.3 流固耦合算法流程
• 3.2 自动化流固耦合软件
• 3.2.1 点云快速配准算法
• 3.2.2 MPCI自动进程管理
• 3.2.3 收敛标准设定
• 3.3 软件特点及优势
• 3.4 模拟验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 冷却水腔内流动传热缸盖热负荷分析及试验验证
• 4.1 计算模型
• 4.1.1 几何模型
• 4.1.2 网格划分
• 4.2 边界条件
• 4.2.1 冷却系统流动边界条件
• 4.2.2 温度场热边界条件
• 4.2.2.1 缸套燃气侧的热边界条件
• 4.2.2.2 缸盖火力面的热边界条件
• 4.2.2.3 进排气道的热边界条件
• 4.2.2.4 外围热边界条件
• 4.2.2.5 冷却水腔的热边界条件
• 4.3 冷却系统CFD模拟结果分析
• 4.3.1 压力场分析
• 4.3.2 流动均匀性分析
• 4.3.3 缸盖冷却水腔内的流动分析
• 4.3.4 缸盖冷却水腔的传热分析
• 4.3.5 空泡份额分布
• 4.4 缸盖冷却水腔修改方案分析
• 4.5 缸盖温度场分析
• 4.5.1 沸腾对温度场的影响分析
• 4.5.2 修正模拟的温度场分析
• 4.6 缸盖温度场试验验证
• 4.7 本章小结
• 第五章 缸盖耦合场应力疲劳分析
• 5.1 计算模型
• 5.1.1 网格模型
• 5.1.2 材料属性
• 5.1.3 约束边界
• 5.1.4 载荷边界
• 5.2 计算工况选择
• 5.3 应力场分析
• 5.3.1 冷态工况LC1、LC2应力分析
• 5.3.2 热态工况LC3、LC4应力分析
• 5.4 疲劳分析
• 5.4.1 高周疲劳分析
• 5.4.2 热低周疲劳分析
• 5.5 沸腾换热对应力疲劳影响分析
• 5.6 修改方案分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文
• 学位论文评阅及答辩情况表