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1、分类号：TK422 单位代码：10110 学 号：S20080024 分类号：TK422 单位代码：10110 学 号：S20080024 中 北 大 学 中 北 大 学 硕 士 学 位 论 文 硕 士 学 位 论 文 柴油机气缸盖热-流-固多场 耦合仿真研究 硕士研究生 徐聪聪 硕士研究生 徐聪聪 指导教师 苏铁熊 教授 指导教师 苏铁熊 教授 学科专业 动力机械及工程 学科专业 动力机械及工程 2011 年 6 月 3 日 2011 年 6 月 3 日 图书分类号 TK422 图书分类号 TK422 密级 非密 密级 非密 UDCUDC注 1注 1 621.4 621.4 硕 士 学 位
2、论 文 柴油机气缸盖热-流-固多场耦合仿真研究 硕 士 学 位 论 文 柴油机气缸盖热-流-固多场耦合仿真研究 徐聪聪 徐聪聪 指导教师 苏铁熊 教授 指导教师 苏铁熊 教授 申请学位级别 工学硕士 申请学位级别 工学硕士 专业名称 动力机械及工程 专业名称 动力机械及工程 论文提交日期 2011 论文提交日期 2011 年 6 年 6 月 3 月 3 日 论文答辩日期 2011 日 论文答辩日期 2011 年 6 年 6 月 1 月 1 日 学位授予日期 日 学位授予日期 年 年 月 月 日 论文评阅 张翠平 副教授 张翼 副教授 日 论文评阅 张翠平 副教授 张翼 副教授 答辩委员会主席
3、张儒华 研究员 答辩委员会主席 张儒华 研究员 2011 年年 6 月月 3 日日 中北大学学位论文 柴油机气缸盖热-流-固多场耦合仿真研究 摘 要 气缸盖在工作过程中承受着高强度的机械负荷和热负荷， 是保证柴油机正常工作的主要零件之一，同时存在进、排气和冷却液的流场、高温燃气产生的温度场以及螺栓预紧力和燃气压力产生的应力场等多个物理场。 在气缸盖传统的温度场和应力场数值计算中，气缸盖温度场边界条件的施加方法有两种：一种是采用经验公式进行估算，这种方法误差较大；另一种方法是单独进行流体域分析，其结果作为固体域分析所需的边界条件，这种方法十分繁杂。本文针对上述问题，将冷却液的流场和气缸盖进行热-
4、流耦合计算，获得气缸盖温度场；然后将此温度场和螺栓预紧力及燃气压力产生的应力场耦合在一起进行求解，实现了冷却液（流） 、气缸盖（固） 、冷却液和气缸盖之间的传热（热）耦合，简化了边界条件复杂的定义过程，提高了计算精度。 本文以某 V 型 12 缸柴油机为例， 以气缸盖的一个整缸和两个半缸作为热-流耦合系统的固体域，将气缸盖冷却液与机体冷却液看作一个整体并将其作为热-流耦合系统的流体域，运用整场离散、整场求解方法，对气缸盖及冷却液进行了热-流直接耦合的仿真分析，得到了分析气缸盖所需的边界条件；通过单元转换完成了热-流-固耦合分析，使得气缸盖流场、温度场、应力场的仿真分析在单一计算模型中得以实现；
5、在此基础上利用热-流直接耦合方法进一步分析了冷却液质量流量、温度及冷却水腔壁面粗糙度等参数对气缸盖温度场的影响规律，结果可为气缸盖结构的设计和改进提供理论指导，并且可为冷却系统参数的确定提供参考。 本文主要研究内容如下： 1）以流体动力学软件 CFX 为工具，通过分析柴油机气缸盖内复杂流动与传热的物理过程，根据其传热规律和冷却液的流动特点，确定所研究的柴油机在稳定工况下运转时，缸内复杂流动与传热数值模拟的物理模型为三维、稳态、无内热源的粘性不可压缩流体的湍流流动与传热；其数学模型为能量守恒方程、动量守恒方程、质量守恒方程、方程以及k方程等 7 个方程构成的封闭方程组。在对燃烧室及其它外表面进行
6、适当分中北大学学位论文 区的基础上，针对不同区域施加不同的换热边界条件：以等效燃气温度作为燃烧室表面环境温度；气缸盖外表面及进排气道区域边界条件参照同类机型及经验公式获得。流动边界条件采用最为稳健的进出口边界条件组合方式，即速度/质量流量作为入口边界条件，压力作为出口边界条件。采用标准k两方程湍流模型，利用控制容积方法对耦合系统的数学模型进行离散求解，得到了耦合系统的流场及温度场。将该耦合系统数值模拟结果与相关试验结果进行对比，对比结果表明该方法是可行的。 2）运用有限元软件 ANSYS，在气缸盖与冷却液耦合计算的基础上，将热流分析单元转换成可进行热应力及机械应力计算的结构分析单元， 然后在该
7、转化模型中对气缸盖在预紧力、预紧力-爆发压力、预紧力-热应力-爆发压力三种工况下进行热-固耦合数值模拟，得到气缸盖的应力和变形分布，满足气缸盖结构刚强度要求，为气缸盖结构设计及改进提供了理论依据。 3）通过设置不同冷却液入口质量流量、冷却液入口温度、冷却水腔壁面粗糙度对气缸盖进行热-流耦合计算，分析了不同参数对冷却流场流动与传热的影响，获得了不同冷却液质量流量对气缸盖及冷却液壁面温度的影响曲线、 不同入口温度对气缸盖及冷却液壁面温度的影响曲线、不同壁面粗糙度对气缸盖及冷却液壁面温度的影响曲线，为冷却系统边界和约束条件的选择提供了参考。 关键词：柴油机，气缸盖，冷却液，热-流-固，多场耦合 中北
8、大学学位论文 The Simulation Research on Heat-Fluid-Solid Multi-Field Coupling of Diesel Engine Cylinder Head Abstract The cylinder head under high intensity mechanical load and heat load in the process of operation, and also exists many physical field such as the intake and exhaust flow field and cooling
9、fluid flow field、 the temperature produced by high-temp gas、 the stress field produced by bolt pre-tightening force and the gas pressure, and it is one of the major parts to guarantee the normal work of diesel. In the traditional numerical computation of the temperature field and stress field of cyl
10、inder head, there are two kinds of method of the temperature field boundary conditions applied of the cylinder head: One kind is to use empirical formulas, this method error estimate is bigger; Another method is to analysis fluid domain separately, the result as a solid domain analysis required boun
11、dary conditions, this method is multifarious. In view of the above questions, this article implementing flowing and heat emission direct coupling on cylinder head and cooling system, obtain the temperature field of the cylinder head； Then coupling this temperature field and the stress field produced
12、 by bolt pre-tightening force and the gas pressure, realized the cooling liquid (flow) and head (solid), cooling fluid and cylinder head of heat transfer between (hot) coupling, simplified the boundary conditions, the definition of complex process enhances the calculation precision. This paper takes
13、 a v-shaped 12-cylinder engine as an example, takes a whole tank and two half cylinders as the solid domain of hot-flow coupling system, takes the cooling fluid of cylinder and engine body as the fluid field of hot-flow coupling system, implementing flowing and heat emission direct coupling on cylinder head and cooling system using the theory of disperse integrally and solve integrally, obtain the boundary conditions needed for cylinder analysis; And on the basis of the result, this research achieved direct coupling anal
