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高速汽油机缸盖水套CFD分析及传热研究

作　者: 鲁震
导　师: 杨靖
学　校: 湖南大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 气缸盖传热流固耦合热机耦合疲劳
分类号: TK413
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

汽缸盖作为发动机的重要部件之一，其强度和可靠性是发动机强度及可靠性问题的重要部分。发动机正常工作下，气缸盖受到许多载荷的影响，如螺栓预紧力、燃气爆发压力、热应力以及装配件的装配应力等，其中燃气爆发压力又是周期性载荷，气缸盖易出现疲劳损伤现象。因此，全面细致地分析气缸盖热负荷及强度对发动机可靠性有重要影响。本文以一款自然吸气的直列四缸汽油机气缸盖及冷却水腔作为研究对象，利用计算流体力学、数值传热学、疲劳强度等理论知识，对气缸盖内冷却液流动及传热过程进行流固耦合模拟，分析并评价了该高速汽油机气缸盖的冷却性能；在此基础上采用拟水平的混合正交设计方法提出了9种对缸垫上水孔尺寸及位置的研究方案，对比改进前后的气缸盖温度场、流场结果，选择出目标改进方案；利用传热计算的结果，综合考虑机械应力及预紧力的影响，计算出原气缸盖与改进气缸盖的热机耦合应力分布，从而进一步评价改进方案的优劣；最后通过自定义的仿真载荷分布曲线对改进前后的气缸盖疲劳强度进行计算，得到安全系数及循环使用寿命，对比不同结果确定了最优改进方案。本文分析总结了本缸垫上水孔设计的重要参考因素—靠近火力面的两系列上水孔尺寸对冷却的影响；多场分析的手段与结果也为气缸盖进一步的结构优化提供了思路并奠定了基础；同时验证了评价改进方案好坏是多场结果综合分析的结果，切不可单凭某一趋势定义改进工作的正确与否。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章绪论  9-13
  1.1 汽缸盖传热模拟和强度分析的背景和意义  9-10
    1.1.1 研究背景  9-10
    1.1.2 研究意义  10
  1.2 发动机气缸盖传热模拟的方法及现状  10-12
    1.2.1 试验分析发展现状  11
    1.2.2 仿真分析国内外发展现状  11-12
  1.3 本文研究内容  12-13
第2章数学模型  13-22
  2.1 缸盖冷却水流动的基本控制方程  13-14
    2.1.1 流体运动的控制方程  13-14
  2.2 湍流  14-18
    2.2.1 湍流模拟方法  14-16
    2.2.2 湍流模型  16-17
    2.2.3 近壁面模型  17-18
  2.3 气缸盖的传热模型  18-20
    2.3.1 导热微分方程  18-19
    2.3.2 数学模型中的边界条件  19-20
  2.4 气缸盖热弹性基本控制方程  20-21
  2.5 本章小结  21-22
第3章样机水上实验及冷却水流动性能分析  22-38
  3.1 三维模型的建立  22-25
    3.1.1 汽油机的主要参数  22
    3.1.2 气缸盖及冷却系统三维模型搭建  22-24
    3.1.3 气缸盖冷却系统模型区域及网格划分  24-25
  3.2 样机水上试验  25-29
    3.2.1 出水温度测量  26-28
    3.2.2 冷却水进水流量测量  28-29
    3.2.3 节温器出水管出水流量测量  29
  3.3 整机冷却系统流动特性分析  29-36
    3.3.1 冷却系统计算模型  30
    3.3.2 边界条件的设定  30-31
    3.3.3 整机冷却系统计算结果分析  31-36
  3.4 本章小结  36-38
第4章气缸盖流固耦合性能分析及优化设计  38-54
  4.1 原机气缸盖热固耦合性能分析  38-43
    4.1.1 计算模型  38-39
    4.1.2 边界条件  39-41
    4.1.3 气缸盖流固耦合计算结果分析  41-43
  4.2 基于正交设计方法的改进性能探究  43-52
    4.2.1 正交设计表的确定  44-46
    4.2.2 针对优化方案的气缸盖流固耦合数值模拟分析  46-52
  4.3 本章小结  52-54
第5章气缸盖热机耦合应力及疲劳分析  54-64
  5.1 热机耦合应力分布情况  54-57
    5.1.1 边界条件  54-55
    5.1.2 材料属性  55-56
    5.1.3 应力仿真结果分析  56-57
  5.2 气缸盖低周疲劳计算分析  57-62
  5.3 本章小结  62-64
结论与展望  64-66
参考文献  66-69
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  69-70
致谢  70

高速汽油机缸盖水套CFD分析及传热研究

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