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1、浙江大学硕士学位论文 第三章边界条件的计算第三章 边界条件的计算3.1 第一类边界条件如本文第二章所述，第一类边界条件都是通过实验的方法得出受热零件表面的一些特征点温度值。这些温度是受热零件热负荷计算中必不可少的，不仅可预知其表面温度分布的大致状况，而且是热计算中反求法所必需的基本判据。受热零件的温度测量实验方法，至今已有多种，可以测出平均温度值，也可以测出瞬态温度值，在内燃机的温度测量中都得到了应用。而且随着现代电子技术的发展，测温手段日趋完善。表3-1中列出了一些主要的测温方法。表3-1 内燃机零件的测温方法24332135测试方法测量原理测试对象主要问题及应用现状硬度测量法利用某些合金经
2、淬火后硬度随着回火温度的升高而下降的特性，材料会产生永久性硬度变化。零件表面温度（硬度塞法）；零件整体的温度分布（硬度恢复法）。当被测温度超出180250时，测量误差较大；只能用于测某一限定工况下的温度，测量时间较长。易熔塞法利用某些金属在熔解或凝固过程中液、固相共存，温度保持不变这一特性。零件表面温度需要知道被测温度的大致范围，而且在同一测点上使用多种熔点温度的合金塞，有时会出现合金塞飞脱现象。方法简洁、直观，温度值接近热电偶法，被广泛应用。氪化法被氪化固体在一定温度时放射性元素达到一定量，重新加热时低于该温度则放射量不变。零件表面温度需要对测温件事先氪化，在发动机上运转后取下再次加温，固定
3、温度间隔内测放射量。误差大。热电偶法不同金属结合时，两端温度不同，则产生热电势。零件表面温度、温度梯度、瞬态温度等。普通热电偶法、贯穿式热电偶法、表面热电偶法。测运动件温度时，需要引出信号，常见的引出机构有：(1)连续引出机构（如四连杆机构、缸盖贯穿式）；(2)间歇接触式装置（插针式接触装置、弹簧触点装置、滑片式接触装置）(3)无接触测量、遥测法。测量可靠，精度高，可随工况变化，但机构复杂安装困难。电模拟法利用导热和导电的相似性，用电场模拟温度场。零件整体温度分布难以准确模拟边界条件，实验工作量大，目前很少采用。示温涂料法利用某种涂料在加热后不同温度颜色发生不同的永久性变化。活塞内腔表面温度涂
4、料不能与高温燃气直接接触，测温范围窄。热敏电阻法金属的电阻随温度的改变而变化。零件表面温度接下页负温度系数半导体热敏电阻的使用受到允许的最高耐久温度的限制。红外热象法利用物体的红外辐射特性来测量温度零件表面温度无触点、适时、快速、精度高。3.2 第二类边界条件热流密度作为已知边界条件的方法一般很少应用，其原因是：（1） 由于测量手段复杂且零件结构的不规则，不易通过实验的方法直接获得，而且精确度不高；（2） 作为求温度场的反求条件不直接。具体测量方法如表3-2表3-2 热流密度测量方法33测量方法测量原理应用情况燃烧室表面温度波动法利用零件表面的温度波动，求解傅立叶方程。取决于热电偶和零件壁厚的
5、均匀度。热流量计法通过栓塞上的测点并利用傅立叶公式求解。测量方便，但有积碳后精度下降。工作过程计算法通过发动机的性能参数求解换热系数的方法。实际上是利用第三类边界条件再求之。方法复杂，单纯作为边界条件不适用。3.3 第三类边界条件第三类边界条件是目前进行内燃机热负荷计算中最常用的一种方法。本文选取了表2-1中适合于本次活塞热负荷计算的三种经验公式。表3-3 发动机的一些参数缸径（mm）冲程(mm)最高燃气压力(MPa)冷却水平均温度()压缩比1501601699.510513.5燃烧室容积（）径长比平均有效压力（bar）机油温度()0.2260.2517.741051203.3.1 活塞顶的边
6、界条件作为稳态温度场计算，需要计算一个工作循环的综合燃气平均温度和平均换热系数。计算方法有示功图法和经验公式法等，示功图法需要有内燃机性能实验或计算出的示功图，结果较可靠，但步骤复杂，需要的参数多；经验公式法是在几个机型的试验基础上，利用缸内近似为长管内流体与壁面是湍流受迫对流换热特性，归纳出的直接计算燃气平均温度和平均换热系数的公式，方法简单，在一些机型如Z165F、Z175F和Z185F的热计算中得到了验证。本文利用示功图法和经验公式法分别进行了计算。一、经验公式法 （3-1）式中 修正系数； 平均有效压力（bar）； n内燃机转速（r/min）； 几何特征尺寸 代入表3-3中的参数，=5
7、42.3 （3-2）式中 修正系数； 额定功率（kW）； 活塞顶投影面积（m2）； 进气温度（K）。代入表3-3中的参数，=4589K由于上述公式是以风冷低速柴油机为试验机，而本文所选用机型是高强化高速水冷柴油机，所以需要对原公式进一步修正，否则不适用。二、示功图法根据式2-24、2-25的计算方法，首先需要分别求出瞬时换热系数和瞬时燃气温度。Eichelberg公式是Eichelberg1939年在一台大型二冲程柴油机测量的基础上提出的一个公式。用直接测量壁面温度波动方法来反求瞬时换热系数，在此式中考虑辐射影响T的方次取得较大，转速的影响取得较小，在低速内燃机可以适用，应用在高速机上就显偏低
8、。但由于该公式比较简单，可以通过修改系数减少误差，所以在各种机型上仍然得到了广泛的应用。基本公式如下： （3-3）式中 瞬时燃气压力（MPa）； 瞬时燃气温度（K）； 活塞平均速度（m/s）。式中的可以从内燃机性能实验所测出的示功图得到，也可以利用在新机型方案论证时，通过要达到的一些技术指标及所能利用的一些参数进行性能预测所得到的示功图。(A)图3-1 示功图图3-1即为本文计算所利用的图。由于增压柴油机的过量空气系数较大，所以在应用式3-1时，可认为工质为理想气体，利用理想气体状态方程式： （3-4）则 （3-5）其中 （3-6）式中 瞬时气缸容积； 燃烧室容积； 气缸内燃气质量； 活塞瞬时
9、冲程。 （3-7）式中 曲柄回转半径和连杆长度之比； 活塞冲程。根据上述公式可以计算出任意时间（曲轴转角）间隔的和（和关系图见图3-2），代入公式式3-1中，即可计算出相应时间（曲轴转角）间隔的。(A)图3-2 燃气压力与温度关系图同样根据内燃机的工作过程是由不同的多变过程组成的，根据、的关系式： （3-8）式中 气缸内任一行程开始时的温度； 该行程内任一时间的温度； 气缸内任一行程开始时的压力； 该行程内任一时间的压力。 n该行程的多变指数。式3-6中的、n、均可通过实验得出， 如此便建立了和的指数关系式，可以求出任一时间间隔的，亦满足了公式3-1的要求。为求出平均换热系数，在内燃机热负荷计
10、算中，一般以曲轴转角表示时间，一个工作循环为720A，式2-24变为 （3-9）可以1A或10A为取值间隔，在压缩行程和膨胀行程由于燃气压力变化较快，取值间隔可适当减小。由于现在计算机技术发展迅速，取值间隔大小一般对计算速度和结果影响不大。本文每隔1A取一值，求出相应的值和值，利用式3-7求出燃气和活塞顶的平均换热系数（见表3-4由于篇幅所限只节选为10A间隔）。表3-4 利用Eichelberg公式计算的曲轴转角A瞬时燃气压力bar瞬时燃气温度K瞬时换热系数W/(m2K)进气行程-3602.898550.4224.0533-3502.917464.3206.4574-3402.918420.
11、1196.4183-3302.915397.6190.9877-3202.934386.1188.8177-3102.935380.7187.5246-3002.931378.4186.8299-2902.939377.5186.8621-2802.959377.5187.4968-2702.994378.3188.8021-2603.03379.3190.1847-2503.054379.9191.0874-2403.071380.3191.7193-2303.087380.8192.3444-2203.089380.9192.432-2103.083380.8192.2198-2003.0
12、85381192.3326-1903.095381.5192.7704压缩行程-1803.104382.2193.2276-1703.107382.7193.4473-1603.136384.1194.7032-1503.229387.6198.4672-1403.4393.5205.1987-1303.7401.7216.2791-1204412.4227.8517-1104.5425.8245.5681-1005.2442.8269.1958-906.1463.9298.4283-807.5490.4340.227-709.5523.4395.5866-6012.6564.8473.2553-5017.6616.7584.4619-4025.7681.4742.3872-3039.1759.9967.0067-2060847.71265.201-
