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船用中高速柴油机组合式活塞振荡冷却流动与传热特性研究
| 论文题名： | 船用中高速柴油机组合式活塞振荡冷却流动与传热特性研究 |
| 关键词： | 船用中高速柴油机;组合式活塞;振荡冷却;流动传热 |
| 摘要： | 船用中高速大功率柴油机在军事和民用领域均有着非常广泛的应用，随着中高速柴油机升功率和强化程度的不断提升，柴油机活塞所承受的热负荷和机械负荷也不断加剧，因此对活塞进行有效的强化冷却十分重要。船用中高速柴油机组合式活塞常用的强化冷却方式为双冷却腔结构的压力供油式振荡冷却，目前国内外学者对其相关研究相对较少，振荡冷却机制及其影响因素等还不完全清晰。 本文采用可视化试验研究与数值模拟研究相结合的方法，针对船用中高速柴油机压力供油式组合式活塞振荡冷却过程，对其机油振荡流动形态、气液两相流流型、标况下振荡冷却过程、流动与传热特性的影响因素等进行了深入研究，并对组合式活塞冷却油腔的结构进行了优化改进。本文主要的研究工作如下： 根据真实船用中速柴油机结构，设计搭建了活塞振荡冷却可视化试验台架，复原了柴油机活塞的往复运动规律和冷却油腔内机油振荡运动形式。基于该试验台架进行了活塞振荡冷却过程的可视化试验研究，探究了不同转速、不同供油压力、不同供油温度下的活塞振荡流动形态、气液两相流流型以及油腔内液相区域面积占比等宏观振荡流动特性。 针对某型具体的双冷却腔结构的组合式活塞，分别探究了多相流模型、湍流模型以及壁面函数模型对于振荡冷却数值模拟结果的仿真效果。最终发现：CLSVOF多相流模型、RNG k-ε湍流模型以及Enhanced Wall Treatment壁面函数模型，在振荡冷却数值模拟中有着良好的适应性，并且能与可视化试验结果吻合良好。 采用数值模拟方法研究了某型船用中速柴油机在标定工况的活塞振荡冷却流动特性与传热特性，得到了冷却油腔的入口机油质量流量、机油填充率、近壁面流体温度、表面换热系数等随曲轴转角的变化规律。然后重点探究了发动机转速、进油压力以及进油温度等关键因素对于组合式活塞振荡冷却流动特性与传热特性的影响规律，其中研究的流动特性关键指标包括入口机油质量流量、机油填充率、湍流强度，传热特性关键指标包括油腔近壁面流体温度、表面换热系数。 针对活塞冷却油腔在结构上存在的不足，提出了多种结构改进方案。最终发现，在外腔和内腔之间增加两个横向卸油道，并且将入口管截面积扩大为两倍的改进方案，对于提升冷却油腔内的机油流通性以及提升整体换热能力都有着非常好的效果，其中外腔和内腔上部的整体换热系数分别提升了21.19%和42.63%。 |
| 作者： | 刘柯 |
| 专业： | 动力工程 |
| 导师： | 王兆文 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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