船用柴油机活塞内冷却腔性能优化及振荡强化冷却机制研究

作     者：徐明焘 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王兆文

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：柴油机 活塞 内冷油腔 振荡流动 传热 数值模拟 

摘      要：随着内燃机的强化程度不断提高,活塞作为大功率柴油机的重要零部件,工作时承受着高热负荷。需要对其进行有效冷却,降低热负荷,以保证中高速船用柴油机的正常运转。为了提高大功率柴油机活塞中双腔式内冷却腔的换热性能,以及揭示内冷却腔中振荡强化冷却机制,作者采用数值模拟和可视化实验相结合的研究方法。主要研究内容及结论如下:根据实际活塞内冷却腔的三维模型以及边界条件,建立了模拟活塞内冷却腔振荡冷却的CFD模型,并且详细阐述了本文的数值模拟方法。同时,设计并搭建了高度近似单缸柴油机的ZD270活塞振荡冷却试验台,利用试验台进行了活塞振荡的可视化实验研究,获得了透明活塞中润滑油的振荡流动图像,并与数值模拟结果吻合良好。计算一系列改变入口管面积的模型方案,逐步寻找到活塞内冷却腔的优化方向。根据“多进多出优化方向,通过一系列单变量因素方案计算,得出了内冷却腔换热性能大幅提高的最佳方案。结果表明,改进后的内冷却腔壁面换热系数整体提高了24%,完成了某大型船用柴油机振荡冷却能力的优化。最后进行了双腔式内冷却腔的振荡强化冷却机制研究,将振荡冷却过程进行了分解和剖析,详细研究了活塞振荡冷却中对流换热系数的具体构成,揭示了进出口流量和润滑油填充率对换热系数的影响规律。通过对计算结果的数据分析,并根据对流传热理论,提出了一种分解对流换热系数的方法,便于量化振荡强化传热以及分析其影响规律,对于今后活塞内冷却腔的结构优化具有指导意义。