基于流固耦合的发动机活塞热动力学分析

作     者：李煜 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于俊卫;赵一刚

授予年度：2018年

学科分类：082601[工学-武器系统与运用工程] 08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0826[工学-兵器科学与技术] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：活塞式发动机 数值模拟 活塞温度场 流固耦合 

摘      要：活塞是水下航行器发动机的重要组成部件,在运行过程中,活塞顶面经受着高温高压燃气的反复冲刷,高温的热载荷促使活塞产生热膨胀变形,压力载荷使活塞产生机械变形,必然会影响发动机的安全性和稳定性,因而对活塞整体的强度计算分析显得尤为重要,避免活塞出现裂纹及断裂情况,保证发动机的正常运行。目前对发动机活塞强度的研究大部分是基于循环平均载荷计算得到变形及应力,而忽略了活塞顶面压力场和温度场的不均匀性,必然对计算结果造成不可忽略的影响。本文以某型水下航行体热动力活塞式凸轮发动机为研究对象,利用FLUENT对缸内的流场进行计算,通过Workbench基于流固耦合原理计算分析活塞的整体温度场以及活塞的变形及应力。本文以某型水下航行器活塞式凸轮发动机结构参数建立进排气以及缸内做功的数学模型,选择合适的壁面传热模型,通过MATLAB数值仿真得到发动机的性能指标及缸内压力和温度随转角的变化关系;根据阀体、阀座以及气缸的运动特征建立计算所需的流体域模型,利用SIMPLEC速度压力耦合算法,选择k-ε湍流模型,采用二阶迎风格式,通过有限体积法计算缸内流体的流动状态及变化规律,分析得到活塞顶面的对流换热系数及压力场;对活塞温度场和强度进行计算时,分别采用循环平均法和流固耦合法,分析活塞的温度场和热流密度的变化规律,进而分析研究了在温度载荷、机械载荷以及两者耦合作用下的总变形量分布、轴向、径向变形量分布以及等效应力分布。通过计算分析发现:适用于水下航行体热动力的活塞式发动机的缸内壁面传热模型为Woschini公式,并且零维仿真及流场的数值模拟均能够准确计算出发动机的性能参数;缸内的流场复杂,在进气阶段,缸内压力和温度、活塞顶面的压力及换热系数,均较大,并且存在较大的梯度,随着曲轴转角的变化逐渐减小并趋于均匀;基于循环平均法时,活塞顶面温度最大,沿轴向逐渐减小,由热载荷引起的变形在顶面最大,机械载荷下的最大变形出现在顶面靠近导向槽一侧的边缘处,最大值等效应力在滚轮轴孔上端面;考虑流固耦合的作用时,不均匀的对流换热系数产生了不均匀的温度场,活塞的热变形沿径向指向气缸分布圆中心处增大,同时流固耦合作用对活塞的耦合变形及应力的分布无明显影响。