缸套―活塞组耦合传热的有限元分析

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长期以来.随着传热学的发展.对内燃机传热的研究也有长足的进步.尤其是对燃烧室的单个零部件f活塞、缸套、气缸盖等1温度惩热应力的计算及分析都已趋于成熟 未来内燃机传热研究的发展趋势将是对内燃机整机耦合的研究。即：把缸内气体的多维流动 、燃烧 、传热等模型 ，与燃烧室部件整体 f缸盖-缸套-活塞组1的三维导热模型耦合起来，全面实现真正意义的内燃机传热过程全仿真模拟l1 如何运用内燃机整机耦合传热研究的成果.综合结构分析 、流体动力学、燃烧学等多学科来精确研究必然成为内燃机传热研究的趋势 活塞-缸套传热仿真的难点在于其边界条件的确定[2 本文采用耦合传热的方法将零件间复杂的外边界条件转化成相对简单的内边界条件pc -A 02T。-十OZT0 2T/I 。

式 中：p--材料密度 ；c- - 材料比热容： 温度 ：--时间：A--材料的导热系数：- - 单位时间内单位体积中内热源生成热：、 Y、 --笛卡尔坐标分量。

规定了边界上的温度值，称为第-类边界条件 ：规定了边界上的热流密度值。称为第二类边界条件：规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数 0及周围流体的温度 .称为第三类边界条件。

在活塞-缸套的耦合传热计算中.第-和第三类边界条件应用较多1 传热微分方程及边界条件 2 边界条件的确定当发动机运转时.活塞和缸套的传热和边界条件都随时变化，是-个瞬时传热过程。在数值计算时，- 般假设零件为常物性.在某-时刻的导热为准稳态导热 ，则导热微分方程为3]：在计算中对活塞-缸套组模型作如下假设 ：1)活塞在缸套内只做直线运动，不考虑其横向摆动 ，活塞和缸套间的润滑油膜厚度均匀。

收稿 日期：2012年 9月 7日 修回日期：2012年 11月 11日基金项 目：山西戍础研究项 目 (2012011012-1)；山西省高等学校留学回国人员科研资助项目 (2011-12)第-作者：荆碧舟，男，1987年生，长春市人，硕士研究生；研究方向为柴油机热分析。E-mail：jingbizhou87###163.com通讯作者：韩振南，男，1958年生，山西人，教授，博导；研究方向为机械传动理论及方法、车辆振动噪声控制。E-maik zhennanhan###hotmaiLcom第 3期 荆碧舟 等：缸套-活塞组耦合传热的有限元分析IH图 1 气缸套边 界条件分 区Fig.1 Partitions of cylinder boundary conditions2.1 燃气侧边界条件 (AB段)在-个工作循环中.燃气温度 及燃气对活塞顶部的对流换热系数 是瞬时变化的.瞬时放热系数采用艾歇伯格 (Eichelberg)公式来计算：ag7.8 (2)式中： - 燃气对活塞顶部的换热系数；1 活塞平均速度 ，VmSn/30；5--活塞行程：n - - 转速：- - 燃气瞬时压力：- 燃气瞬时温度。

燃气瞬时压力 可从实测柴油机标定工况下的示功图直接读出.燃气瞬时温度 要根据示功图推算求得或直接测量瞬时燃气温度取得。

缸内单个循环的燃气当量平均温度 和平均换热系数 分别为：r 72071gm-- 720 (3) J，J 0将算得的 和 施加于活塞顶部作为外部边界条件燃气对缸套内表面的稳态换热边界条件在轴向高度上的分布为[41：‰ ( )：aon(1 e-V (5))： (1 )e- (6)式 中： --轴 向距离 ，零点对应活塞上止点位置 ；h/S(0≤ ≤1)；kl、 厂 常数 ，kl0.573(S/D)O.24，k21.45k1；D--缸径 。

施加此边界条件时.先将轴向距离细分为若干小区域，并算出每-小区域的平均值.以面载荷的形式施加在对应位置上2.2 润滑油侧边界条件 (BC段)1)润滑油与活塞相关的边界条件有两个：活塞与缸套之问的润滑油膜：润滑油对活塞底部的喷溅冷却。由于本文对模型的假设，可将活塞与缸套间的润滑油膜处理为热阻；而对于活塞底部的喷溅冷却.由于油腔的形状复杂，难以计算喷溅油量.目前仍采用经验公式[61：ao 6.16q (7)式中：ao --润滑油对活塞底部喷溅冷却换热系数；g --喷向活塞底部的润滑油量；冷却侧活塞壁面的平均温度。

表 1 流体材料主要参数Tab.1 The main parameters of fluid materials21润滑油与缸套内壁面的换热边界条件采用管内层流换热公式前面乘以经验系数进行计算：866( )丁 H (8)式中： --润滑油与缸套内壁面的换热系数；Re 润滑油的雷诺数 ：， 润滑油的普朗特数；A 润滑油的导热系数 ；Z--发动机油道的计算管长：发动机油道的当量直径；润滑油的动力粘度；厂 按壁温计算的润滑油动力粘度，此式的定性温度为液体的平均温度.此处取 363K：6--经验修正系数2.3 冷却水侧边界条件 (GF段)由于缸套外壁温度分布不均匀.导致冷却水的温度和换热系数也不可能是常数.但在此处取冷却水温为 363K.其主要参数如表 1 在计算中冷却水的换热系数按 DitUS-Booeher管内湍流经验公式来确定[2-31：/ 、 、o.023Re8prw f ) (9) tbw ，式中：Re 冷却水的雷诺数：中国农机化学报- 冷却水的普朗特数；A 冷却水的导热系数；d - 水套的当量直径。

2.4 缸套其它区域边界条件l1 IH段、HG段边界条件。IH段、HG段与机体接触.该段的换热系数由气缸套与机体间接触热阻决定.本文按照文献中的实例选取.IH段的换热系数为116W/(m2.K)，HG段的换热系数为4 652W/(m ·K)用。

21 FE段边界条件。FE段为水套的密封部分 ，与机体为间隙配合.换热系数取 115W/(m ·K)。

31 ED段、DC段边界条件。ED段 、DC段的气缸套悬空在机体外.换热系数取50W/(mz·K1。

41 AI段边界条件。AI段边界条件撒于气缸盖与气缸垫、气缸垫与气缸套之间的导热系数，本文以钢架石棉复合板气缸垫的绝热特性为例.换热系数取为 0.5 W/(m ·K1[8]。

3 有限元法求解传热问题3.1 几何模型及计算网格模型的建立本文以4100QBZ增压柴油机为例.计算其在标定工况下缸套-活塞组系统的传热情况 发动机主要参数如表 2所示表 2 4100QBZ柴油机主要参数Tab.2 The main parameters of 4100QBZ engine项 目 参数缸径×行程(mm)额定转速(r/min1额定功率(kW1排量fL1压缩比利用 UG三维制图软件严格按照尺寸参数建立活塞、活塞环及缸套的三维模型，对于气环、油环做了部分简化处理。在建立三维模型时.活塞位置的确定是根据循环当量平均燃气温度值通过差值确定的曲轴转角位置9J 将建好的几何模型导入ANSYS 13.0Workbench中划分网格.总体单元尺寸为 3mm.划分方法为Tetrahedrons中的Patch Conforming.全部生产lO节点4面体单元.这样系统默认的单元类型全部为Solid87.网格模型采用了469 747个节点 、293 752个单元。三维实体模型及有限元模型如图2所示。由于系统中各零部件材料不同.需分别输人各零件的材料参数.并对其分别划分网格.各个材料的传热特性如表 3、表 4所示 。

2013钲图 2 缸套-活塞组三维实体模 型和 网格模型Fig.2 Three-dimensional solid model and mesh model ofcylinder liner-pistons group表 3 缸套和活塞环的材料特性Tab.3 Material properties of cylinder liner and piston tings表 4 活塞材料 fZL1091的导热 系数Tab.3 Thermal conductivity of piston material fZL1091吖℃1 h(W/m·K)200250300350l63166l701753-2 有限元计算结果及分析以上述初始条件作为稳态温度场的计算边界条件.计算额定工况下缸套-活塞组的温度分布情况如图 3所示.活塞外部的温度分布情况如图4所示。

11从 图 3可 以 看 出 .气 缸 套 最 高 温 度 约 为250%.出现在气缸套内壁最上部.这是因为该区域在整个循环中几乎-直暴露在燃气中.换热剧烈 ，而且不处于冷却水套区域 缸套内壁面沿轴向方向的变化趋势基本是越向下部温度越低.但在对应于活塞火力岸和环带的区域.温度有所升高 .而且温度梯度大 这是因为该区域受燃气影响大.燃气经活塞至缸套壁面传给冷却水的热量，大部分由此传出。缸套底部直接与曲轴箱的油气接触.温度较低，只有 110℃左右。

21图 4可 以较好的反应 活塞顶部及燃烧室 的温度分布，结合图 3可以看出：①活塞温度分布不均匀.最高温度 390%，最低温度 130℃。②活塞顶部不同区域温度分布差异较大.在燃烧室靠近活塞中心的 携 枷 嘲乃 "第 3期 矫玉菲 等：多功能园艺维护机械手的研制的修剪、采摘、喷洒农药及灌溉等各种复杂动作。该园艺维护机械手与传统园林机械相比操作方便 、省力 、安全 、结构精巧 、-机多用 ，属于环保型联合作用 园林机械。