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西安交通大学学报 2019年第7期53卷 92-98,176页

作者：刘亮张力唐志刚余德林王西北张青重庆大学汽车工程学院重庆400044 重庆三爱海陵实业有限公司重庆408000 长安汽车股份有限公司重庆400023

针对钠冷气门温度场计算的问题,提出了基于外部边界条件和中空区域两相流模型的数值计算方法。基于发动机的一个循环周期,把实心气门划分为4个区域,根据每个区域与周围环境的作用确定了第三类边界条件,并利用整体硬度法,经台架试验获得... 详细信息

针对钠冷气门温度场计算的问题,提出了基于外部边界条件和中空区域两相流模型的数值计算方法。基于发动机的一个循环周期,把实心气门划分为4个区域,根据每个区域与周围环境的作用确定了第三类边界条件,并利用整体硬度法,经台架试验获得了实心气门的温度场,以此温度场校核了外部边界条件,以此作为钠冷气门的外部边界条件;对于钠冷气门中空区域建立两相流模型,求出了内部第三类边界条件;最后通过结合内外部边界条件,利用ANSYS热分析软件计算钠冷气门温度场。计算结果表明:在气门轴向,仿真温度与实测温度的最大差值为45.5℃,相对误差为7.52%,在气门径向,仿真温度与实测温度的最大差值为37.2℃,相对误差为5.79%,它们的最大误差都不超过8%。进而证明:构造的基于外部边界条件和中空区域两相流模型的气门温度场的计算方法是可行的。

关键词：钠冷气门两相流数值计算液钠冷却

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基于两相流的钠冷气门温度场数值计算方法与传热特性的研究

基于两相流的钠冷气门温度场数值计算方法与传热特性的研究

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作者：刘亮重庆大学

学位级别：硕士

气门是发动机特别重要的部件,控制着气体的流进与流出,特别是排气门长时间接触燃烧室内高温高压气体,因此受制于高的热负荷必须防止气门材料热疲劳的破坏。TGDI（Turbocharged Gasoline Direct Injection）直喷涡轮增压汽油发动机的缸... 详细信息

气门是发动机特别重要的部件,控制着气体的流进与流出,特别是排气门长时间接触燃烧室内高温高压气体,因此受制于高的热负荷必须防止气门材料热疲劳的破坏。TGDI（Turbocharged Gasoline Direct Injection）直喷涡轮增压汽油发动机的缸内温度特别高,排气温度高达1000°C,传统的实心钢气门在这样的极限条件下极易失效,而钠冷气门内部以液钠（钠在97.5°C呈液态）作为工作介质可以有效地改善气门的传热。气门的周期性往复运动（液钠和空气产生振荡效应）导致热量在气门杆更好的分配,从而可以避免气门极端热区域的形成。本文通过数值方法研究钠冷排气门的温度场以及转速、倾斜角、管径和液钠填充水平对钠冷气门传热特性的影响,不仅对于理论研究具有重要的意义,而且对于工程应用也具有实际的意义,另外相关的研究文献也较为少见。本文立足于重庆市研究生科研创新项目“直喷增压汽油发动机钠冷气门两相流传热传质的数值研究”（项目编号:CYS19029）,主要研究内容如下:首先,在1.5 L TGDI的发动机台架试验上,利用整体硬度法测量实心气门和钠冷气门的轴向和径向温度场,测量结果表明:在气门的轴向和径向,同一位置处,钠冷气门的温度低于实心气门的温度。钠冷气门的轴向最高温度是667°C,比实心气门的低了153°C,而且气门最高温度的位置发生了转移,钠冷气门的最高温度位于气门颈部,而实心气门在第一热点处（气门座锥角的延长线与气门轴线的交点）;钠冷气门的径向最高温度比实心气门的低67.8°C,最高温度位置都在气门头部底面的中心位置（第二热点）。为了计算钠冷气门的温度场,第一类边界条件（给出物体边界上温度分布及其随时间的变化规律）和第二类边界条件（给出物体边界上的热流密度分布及其随时间的变化规律）都是不适用的,于是本文采用第三类边界条件（给出了与物体表面进行对流换热的流体的温度及表面传热系数）。根据气门在实际环境中与缸盖的热交换情况,考虑气缸盖不同参数对气门热交换的影响,理论上应把气门充分细分为7个区域,然而考虑到计算的方便和热交换的影响程度,本研究把实心气门分为4个区域,即气门杆-气门导管、气门杆-排气道、气门座、气门底面-燃烧室面,并计算气门每个区域的瞬时对流换热系数和绝热壁面温度,最后根据发动机一个循环（T=4π）计算排气门每个区域边界条件的平均值,把平均值作为有限元分析的边界条件计算出气门的温度场。为了准确计算温度场,需要根据实际测量的温度场,不断修正边界条件,以此修正后的平均值近似作为钠冷气门外部的边界条件。对于钠冷气门内部边界条件的计算,本研究假定气门保持静止,液钠和空气相对于气门往复振荡,建立动网格模型,液钠和空气的相互作用是一个气-液两相流的问题,为此建立VOF（Volume of Fluid）多相流模型,最后计算出内部的边界条件,结合钠冷气门外部的边界条件,最终计算钠冷气门的温度场。计算结果表明:在钠冷气门轴向,计算温度与实测温度的最大误差是45.5°C,相对误差是7.52%;在钠冷气门径向,计算温度与实测温度的最大误差是37.2°C,相对误差是5.79%,它们的最高温度相对误差都低于8%。最后,本文研究了转速、倾斜角、管径以及液钠填充率对钠冷气门传热性能的影响,研究结果发现,液钠填充率和转速对于气门的传热效率是最重要的影响因素,而且液钠最理想的填充率大约是30%-50%,管径和倾斜角对气门传热性能的影响较小。

关键词：排气门 VOF 液钠冷却振荡换热温度场

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