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大功率内燃机车柴油机气缸盖瞬态热结构耦合数值研究
| 论文题名： | 大功率内燃机车柴油机气缸盖瞬态热结构耦合数值研究 |
| 关键词： | 内燃机车;柴油机;气缸盖;瞬态热结构;数值模拟 |
| 摘要： | 气缸盖正常地工作且效果稳定是柴油机安全运行的保障之一。活塞运动释放大量能量，缸内燃气温度剧烈波动，缸盖内的较大温差、局部过大的热负荷、缸内爆发压力和螺栓预紧力等因素使得气缸盖产生了较明显的应力。因此，进行瞬态下气缸盖的温度场、应力场研究对探索新型气缸盖材料的抗疲劳途径，研究冷却水套的性能及优化，改善气缸盖的设计、延长使用寿命和确保柴油机安全运行具有理论意义和工程实际意义。 本文以16V280JZA型柴油机气缸盖为研究对象，对四个工况下气缸盖温度场，应力场进行热流固耦合的稳态和瞬态研究。根据气缸盖传热分析基础理论以及应力应变理论，建立了三维实体模型，采用数值模拟方法计算并分析了气缸盖在不同工况下中的温度场和应力场，获得的结论如下： （1）建立16V280JZA型柴油机进排气系统模型和冷却系统模型，得到仿真额定功率下周期性瞬态气缸内燃气温度，壁面对流换热系数，气缸压力，进排气道温度和冷却水进出口流速，可以为气缸盖的温度场，应力场仿真得到精确的边界条件。 （2）气缸盖冷却水冷却效果良好，没有出现局部过热状况，但在下水腔窄小流动通道由于水压的作用，使得局部流速过快，冷却水冲击壁面，改变狭窄通道的形状或者通道横截面面积，可以减小局部流速，对壁面起到保护作用，但对气缸盖温度场影响不大。 （3）瞬态情况下火力面温度变化随着工况变化。进气阶段火力面温度相对稳定。压缩阶段火力面的温度先减小后增大。膨胀阶段受高温冲刷，温度变化集中在喷油安装座和进排气道之间，火力面温度呈现从中心向两端发散的状态,最大火力面温度达到702.1K。排气阶段高温集中在排气口与喷油安装座集中的三角形集中区域发展。火力面一个周期内的温度变化大致与缸内燃气温度变化趋势趋于一致。热量通过固体表面向固体内部传导，节点温度随时间的变化趋势大致相同，距离缸盖表面1mm处的温度波动范围为10.3K,距离缸盖表面越远波动越来越小,到距离缸盖表面4mm的波动范围为0.14K。 （4）热应力主要集中在火力面进排气门之间的鼻梁区附近，机械应力主要集中在火力面与缸盖交界处和螺栓孔处，热机耦合应力与热应力较为接近，最大应力出现在膨胀阶段初期点火过程前后，此时缸内流动复杂，最大热机耦合应力达到705.8MPa。 |
| 作者： | 刘鑫 |
| 专业： | 动力工程 |
| 导师： | 张永恒;张军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 兰州交通大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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