振荡冷却活塞温度场及热机耦合分析_陈晓萌.pdf
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1、第4 4卷第3期河 北 科 技 大 学 学 报V o l.4 4,N o.32 0 2 3年6月J o u r n a l o fH e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yJ u n e2 0 2 3 文章编号:1 0 0 8-1 5 4 2(2 0 2 3)0 3-0 2 3 7-0 9振荡冷却活塞温度场及热机耦合分析陈晓萌1,彭培英1,朱海荣1,王建华2(1.河北科技大学机械工程学院,河北石家庄 0 5 0 0 1 8;2.河北双天机械制造有限公司,河北定州 0 7 3 0 0 0)摘 要:为分析
2、内冷油腔对活塞的降温效果,对振荡冷却活塞在热负荷、机械负荷及热机耦合作用下的温度场及应力应变分布规律进行研究。采用VO F(v o l u m eo f f l u i d)多相流模型、动网格技术等对活塞内冷油腔内机油的振荡传热过程进行F l u e n t数值模拟,得到内冷油腔各壁面换热系数;将结果映射到活塞固体表面,对活塞分别加载热负荷、机械负荷以及热机耦合作用,对比分析活塞在内冷油腔冷却前后的温度场变化,得到其热应力、机械应力以及耦合应力的变化规律。结果表明,采用内冷油腔进行冷却后,活塞各区域温度均有不同程度下降,其中活塞最高温度下降7.5%;活塞受热机耦合作用下的最大应力小于两者单独作
3、用的结果之和;进行油腔振荡冷却后,活塞的热应力和耦合应力也有不同程度降低。所得到的活塞在内冷油腔冷却前后的应力分布规律,可为活塞内冷油腔的优化设计提供理论参考。关键词:内燃机工程;振荡冷却活塞;内冷油腔;热应力;机械应力;耦合应力中图分类号:T K 4 2 2 文献标识码:A D O I:1 0.7 5 3 5/h b k d.2 0 2 3 y x 0 3 0 0 4 收稿日期:2 0 2 2-1 1-3 0;修回日期:2 0 2 3-0 3-1 1;责任编辑:冯 民基金项目:河北省自然科学基金(E 2 0 2 2 0 8 0 0 9;E 2 0 2 1 0 8 0 1 7)第一作者简介:陈
4、晓萌(1 9 9 7),女,河北石家庄人,硕士研究生,主要从事内燃机强化传热技术方面的研究。通信作者:朱海荣副教授。E-m a i l:z h u h r 2 0 0 51 2 6.c o m陈晓萌,彭培英,朱海荣,等.振荡冷却活塞温度场及热机耦合分析J.河北科技大学学报,2 0 2 3,4 4(3):2 3 7-2 4 5.CHE NX i a o m e n g,P E N GP e i y i n g,Z HUH a i r o n g,e t a l.A n a l y s i s o f t e m p e r a t u r e f i e l da n d t h e r m o
5、-m e c h a n i c a l c o u p l i n go f o s c i l l a t i n gc o o l i n gp i s t o nJ.J o u r n a l o fH e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 4(3):2 3 7-2 4 5.A n a l y s i so f t e m p e r a t u r e f i e l da n dt h e r m o-m e c h a n i c a lc o u p l i n
6、go fo s c i l l a t i n gc o o l i n gp i s t o nCHE NX i a o m e n g1,P E NGP e i y i n g1,Z HU H a i r o n g1,WANGJ i a n h u a2(1.S c h o o lo f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,H e b e iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,S h i j i a z h u a n g,H e b e i0 5 0 0 1
7、 8,C h i n a;2.H e b e i S h u a n g t i a nM a c h i n e r yM a n u f a c t u r i n gC o m p a n yL i m i t e d,D i n g z h o u,H e b e i 0 7 3 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t o a n a l y z e t h e c o o l i n ge f f e c t o f t h e i n t e r n a l c o o l i n go i l g a l l e r yo n
8、 t h ep i s t o n,t h e t e m p e r a t u r e f i e l da n d s t r e s s-s t r a i nd i s t r i b u t i o n l a wo f t h e o s c i l l a t i n g c o o l i n gp i s t o nu n d e r t h e r m a l l o a d,m e c h a n i c a l l o a da n d t h e r m o-m e c h a n i c a l c o u p l i n gw e r e s t u d i e
9、 d.T h eV O F(v o l u m eo f f l u i d)m u l t i p h a s e f l o wm o d e l a n dd y n a m i cm e s h t e c h n o l o g yw e r e u s e d t o s i m u l a t e t h e o s c i l l a t o r yh e a t t r a n s f e r p r o c e s so f t h eo i l i n t h e i n t e r n a l c o o l i n go i l g a l l e r yo f t
10、h ep i s t o n,a n d t h eh e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t o f o s c i l l a t i n gc o o l i n go i l g a l l e r yw a s o b t a i n e d.T h ed a t aw e r em a p p e dt ot h es o l i ds u r f a c eo ft h ep i s t o n.T h ep i s t o nw a sl o a d e dw i t ht h e r m a l l o a d,m e c h
11、a n i c a l l o a da n dt h e r m o-河 北 科 技 大 学 学 报2 0 2 3年m e c h a n i c a l c o u p l i n g l o a d,r e s p e c t i v e l y,t oa n a l y z e t h e t e m p e r a t u r e f i e l dc h a n g e so f t h ep i s t o nb e f o r e a n da f t e ru s i n go s c i l l a t i n gc o o l i n go i l g a l l e r
12、 y,a n dt h ed i s t r i b u t i o nl a w so ft h e r m a ls t r e s s,m e c h a n i c a ls t r e s sa n dc o u p l i n gs t r e s so ft h ep i s t o nb e f o r ea n da f t e ru s i n go s c i l l a t i n gc o o l i n go i l g a l l e r yw e r e c o m p a r e da n da n a l y z e d.T h e r e s u l t
13、s s h o wt h a t t h e t e m p e r a t u r e i ne a c hr e g i o no f t h ep i s t o nd e c r e a s e st od i f f e r e n td e g r e e s a f t e r o s c i l l a t i n gc o o l i n g,w i t ht h eh i g h e s t t e m p e r a t u r eo f t h ep i s t o nd e c r e a s i n gb y7.5%;T h em a x i m u ms t r
14、e s so ft h ep i s t o nu n d e r t h e t h e r m o-m e c h a n i c a l c o u p l i n ga c t i o n i s l e s s t h a n t h e s u mo f t h e r e s u l t so f t h e t w os e p a r a t e e f f e c t s;A f t e r o s c i l l a t i n gc o o l i n g,t h e t h e r m a l s t r e s s a n dc o u p l i n gs t r
15、 e s so f t h ep i s t o na l s od e c r e a s e i ns o m ed e g r e e s.T h e s t r e s sd i s t r i b u t i o n l a wo f p i s t o nb e f o r ea n da f t e r c o o l i n g i n t h e i n t e r n a l c o o l i n gg a l l e r y i s o b t a i n e d,w h i c hp r o v i d e s s o m e t h e o r e t i c a
16、l r e f e r e n c e f o r t h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h ei n t e r n a l c o o l i n go i l g a l l e r yo f t h ep i s t o n.K e y w o r d s:i n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ee n g i n e e r i n g;o s c i l l a t i n gc o o l i n gp i s t o n;c o o l i n go i l g a l l
17、 e r y;t h e r m a l s t r e s s;m e c h a n i c a ls t r e s s;c o u p l i n gs t r e s s 近年来,随着科学技术的不断进步,柴油机作为一种热效率高、经济性能好的动力机械,被广泛应用于国防武器装备、海洋船舶、机械工程等领域1。活塞是柴油机中的重要组成部件,在进行往复运动的过程中,不仅要承受燃气侧的压力、往复惯性力,还需承受燃气瞬时变换的高温热负荷,所以活塞的工作环境恶劣,只有对其进行有效的冷却,才能提高散热效率,延长使用寿命2。然而,由于冷却效果不佳,在高热负荷和高机械负荷的共同作用下,活塞成为柴油机中最易
18、出现故障的零部件。目前,冷却活塞常采用的是带内冷油腔的振荡冷却法,当冷却机油进入设置在活塞头部的内冷油腔后,随活塞高速往复运动并不断地冲击油腔内壁,从而完成换热过程,达到给活塞冷却降温的目的。已有学者分别采用数值模拟和实验研究的方法得到了活塞工作时的温度分布规律。K A J I W A R A等3首次利用C F D软件开发了一种新的活塞温度预测方法,在模型中作了简化假设,分析得出冷却油腔在不同机油填充率下的油腔换热系数。N O Z A W A等4-5利用A V LF i r e软件模拟了机油在不同影响因素下的流动形态及换热系数,并与实验结果进行对比分析,两者吻合较好。L U F F等6搭建了活
19、塞振荡试验台,对比研究了在有/无冷却机油振荡传热下的活塞温度场。W A N G等7将加入了纳米颗粒的冷却机油作为冷却介质,对活塞油腔换热情况进行了研究。王贵新等8对活塞的瞬态温度场进行模拟分析,得出瞬态温度场与稳态温度场分布规律一致的结论,为活塞流固耦合提供了较准确的边界条件。胡定云等9建立了活塞油腔振荡瞬态计算模型,研究了冷却机油在不同曲轴转角下的流动形态及传热系数。邓立君1 0提出了影响油腔振荡传热特性的主要因素,并揭示了冷却油腔内两相流的流动与换热机理。陈卓烈1 1搭建了冷却油腔可视化振荡实验台,并对油腔振荡传热进行了数值模拟,将两者的结果进行对比分析,结果表明两者的统一性较好。穆艳丽等
20、1 2通过数值模拟得到了机油分布、填充率及各壁面换热系数随曲轴转角的变化规律,发现采用P I S O算法进行压力速度耦合计算得到的换热结果比S I M P L E C算法的精度高,收敛速度和达到稳定状态的速度更快。近年来,采用流固耦合方法对活塞进行分析,可得到活塞应力场和温度场的变化规律。TONG等1 3建立活塞流固耦合模型,模拟了活塞振荡传热的流动和换热特性,并对比了有无冷却壁对活塞温度场和活塞表面热应力分布的影响。吴志明1 4对活塞环形油腔进行流固耦合分析,得到了活塞在关键曲轴位置的温度场分布,并分析了活塞应力场。吕行等1 5建立了活塞振荡传热模型,采用网格节点映射的方法得到冷却油腔近壁面
21、的热边界条件,并预测了活塞的温度场。文均等1 6建立了活塞与内冷油道的流固耦合传热模型,分析了活塞结构参数对活塞强度及传热的影响。李达1 7对活塞内冷油腔在不同影响因素下的换热特性进行分析,将分析结果通过耦合的方式应用于活塞温度场计算,对比观察不同影响因素对活塞温度场的影响。石小明1 8建立了活塞有限元模型,研究了内冷油腔位置改变对活塞温度和应力分布的影响。孔荣1 9建立了活塞流固耦合模型,模拟计算活塞热负荷,对比研究了压缩比、过量空气系数和内冷油腔形状对活塞温度场的影响规律。陈浩2 0针对某些局部特征区域的冷却需要的情况,以活塞最高温度及最高温度梯度作为优化目标,提出了一种可控热状态的设计方
22、法。白高俊等2 1建立了基于流固耦合传热的活塞有限元仿真模型,以活塞疲劳寿命为优化目标对主要结构参数进行了优化。目前,活塞的流固耦合分析大多集中在对活塞温度和热应力场的研究,对活塞进行振荡冷却前后的温度场及应力场的对比研究较少。本文将内冷油腔表面的数据映射到活塞固体表面,对活塞在热负荷、机械载荷以及热机耦合作用下的应力进行对比研究,得出活塞进行振荡冷却前后的温度场及应力场,为活塞内冷油腔的设计提供一定的理论参考。832第3期陈晓萌,等:振荡冷却活塞温度场及热机耦合分析1 理论基础1.1 活塞换热分析理论柴油机工作时,热量从活塞顶部通过热传导的方式传递给活塞底部,活塞设置内冷油腔后,油腔中的冷却
23、机油与壁面相碰撞,大部分热量由冷却机油带出活塞,达到对活塞降温冷却的目的。1.1.1 热传导微分方程热传导微分方程适用于所有导热过程,根据傅里叶定律及能量守恒方程可得到导热微分方程:cTt=xTx+yTy+zTz+,(1)式中:为控制体密度,k g/m3;c为控制体比热容,J/(k gK);为控制体的热传导系数,W/(mK);为控制体内热源在单位时间、单位体积内所产生的热量,W/m3。柴油机在工作过程中,活塞的内部没有热源,将式(1)进行简化,并把活塞换热视为无热源的热传导过程:cTt=2Tx2+2Ty2+2Tz2。(2)本文设定传热系数不随时间变化发生变化,将活塞的热传导视为稳态热传导过程,
24、将式(2)再次进行简化:2Tx2+2Ty2+2Tz2=0。(3)1.1.2 传热边界理论冷却机油与活塞内冷油腔壁面之间会发生热量传递,换热量可由牛顿换热定律来计算:qw=k(Tf-Tw),(4)式中:qw为流体和固体表面之间的换热量,W/m2;k为流体和固体表面之间的换热系数,W/(m2K);Tf为流过固体表面流体的温度,K;Tw为固体表面温度,K。活塞温度场分布为稳态导热问题,所以在定解条件中没有初始条件,仅有边界条件,通常热边界条件有以下3种。1)第一类热边界条件规定了边界上的温度,边界温度稳定不变或为某一变量函数:T|=f(x,y,z,t)。(5)式中为边界。在有限元分析中,该壁面温度一
25、般为常数,不随时间发生改变。2)第二类热边界条件规定了边界上的热流密度值,热流密度稳定或为某一变量函数:-kTn=g(x,y,z,t)。(6)在有限元分析中,该壁面热流密度一般为常数,也不随时间发生改变。3)第三类热边界条件规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数及周围流体温度,该温度值的表达函数如下:-kTn=h(T-Tf)|,(7)式中:h为对流换热系数,W/(m2K);T为壁面温度,K。本文将采用第三类边界条件作为计算的边界条件。1.2 活塞强度分析理论在实际工程应用中,脆性断裂和塑性屈服是材料因强度不足而引起的常温、静载下的2种失效形式,通常情况下,按照强度理论对材料的强度进行判断。
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