振荡冷却活塞温度场及热机耦合分析

为分析内冷油腔对活塞的降温效果,对振荡冷却活塞在热负荷、机械负荷及热机耦合作用下的温度场及应力应变分布规律进行研究。采用VOF（volume of fluid）多相流模型、动网格技术等对活塞内冷油腔内机油的振荡传热过程进行Fluent数值模拟,得到内冷油腔各壁面换热系数;将结果映射到活塞固体表面,对活塞分别加载热负荷、机械负荷以及热机耦合作用,对比分析活塞在内冷油腔冷却前后的温度场变化,得到其热应力、机械应力以及耦合应力的变化规律。结果表明,采用内冷油腔进行冷却后,活塞各区域温度均有不同程度下降,其中活塞最高温度下降7.5%;活塞受热机耦合作用下的最大应力小于两者单独作用的结果之和;进行油腔振荡冷却后,活塞的热应力和耦合应力也有不同程度降低。所得到的活塞在内冷油腔冷却前后的应力分布规律,可为活塞内冷油腔的优化设计提供理论参考。     

机油进出口管径对柴油机活塞振荡冷却效果的影响

基于计算流体力学(CFD)方法和VOF多相流模型,结合相对位移法和动边界条件,建立了柴油机活塞内冷油腔多相流振荡传热的数学仿真模型,研究了机油进出口管道直径对冷却油腔中机油流动与换热特性的影响规律.结果表明,随着进出口管径的增大,冷却油腔内瞬时机油填充率降低,冷却油腔壁面的对流换热系数呈增加的趋势;结合不同工况下仿真计...     

强制振荡冷却活塞机油温度对流动形态的影响

为了研究强制振荡冷却活塞的活塞冷却机理,用试验和仿真方法对机油流动情况进行了研究.研制了一套机油喷射试验系统,进行机油喷射试验,用试验结果对仿真模型计算结果进行标定,验证了仿真模型的可靠性.用Fluent软件研究了喷油强制振荡冷却活塞机油在恒定喷油压力、不同油温下的流动形态,分析了油温对机油流动的影响.稳态模拟结果表明:内冷油腔内部存在大量的空化区域;保持喷油压力为0.6MP,随着机油温度升高,油腔入口质量流量呈折线变化,各工况下,进入内冷油腔的机油质量流量占流场总质量流量百分比都达到了92%以上;保持机油温度为343.15K,改变喷油压力,当喷油压力大于等于0.25 MPa时,进入内冷油腔的机油质量流量占总流量的百分比均达到了90%以上.     

两相流振荡流动特性的可视化实验研究

为了解决活塞内冷油腔中气液两相流的振荡传热问题,设计并搭建了由柴油机改装的往复振荡实验装置,利用高速摄像技术对内冷油腔实验件中气液两相流的振荡流动过程进行了可视化观测实验,分析在不同转速和液体填充率下实验件中气液两相流在起振阶段和充分振荡阶段的振荡流动形态。结果表明：在起振阶段,气液两相的分界面明显,没有强烈的湍流混合运动,在充分振荡阶段,液体的运动规律及流动形态呈周期性变化;转速主要影响气液两相流的湍流强度,填充率主要影响气液两相流的流动形态。研究结果揭示了内冷油腔中气液两相流的振荡流动规律,可为高强化活塞的结构优化设计提供参考。     

冷却油腔应用纳米流体强化活塞传热的数值模拟

活塞内冷却油腔采用高效换热性能的传热工质可以有效提高活塞的冷却效果,因此,将50 nm的Cu和金刚石颗粒添加到传统润滑油中,制成纳米润滑油并应用于活塞内冷却油腔.通过活塞组-气缸套三维耦合数值模拟研究内冷却油腔使用纳米流体对活塞组传热效果的影响.结果表明:与使用传统润滑油相比,活塞内冷却油腔应用体积分数为1%,2%,3%的纳米Cu润滑油和纳米金刚石润滑油作为冷却介质,可以有效地降低活塞温度.纳米金刚石润滑油对活塞组的冷却效果优于纳米Cu润滑油.     

结构参数对闭式内冷油腔填充率的影响

为了研究内冷油腔结构参数及内冷油腔位置对填充率的影响,利用计算流体力学对内冷油腔内两相流的控制方程进行求解,并通过活塞内冷油腔进出油流量动态实验对模拟结果进行验证。研究结果表明:随着内冷油腔进出口截面积、内冷油腔进出油孔的长度和喷嘴流量的变化,内冷油腔的填充率分别呈现不同的变化;内冷油腔位置上移使得内冷油腔填充率增大,传热系数反而减小。在不同的曲轴转角下,内冷油腔的填充率不同,内冷油腔的传热系数也随之呈现相同的变化趋势,并在爆发压力工况对应的曲轴转角时达到最大。     

冷却油腔位置改变对活塞温度场的影响

研究活塞冷却油腔位置改变对活塞温度场的影响.采用Pro/E软件建立德国1015型柴油机活塞的有限元模型(FEM).在性能计算的基础上确定了活塞顶等部位的热边界条件.利用ANSYS软件研究活塞振荡冷却油腔位置改变后,活塞各关键部位温度的变化规律及其对冷却油腔位置的敏感程度.结果表明,冷却油腔位置对活塞各部位温度的影响规律有较大的差别.冷却油腔位置改变对活塞第一环槽影响最大,不仅温度的变化速度有极值点,而且通过移动冷却油腔可以使第一环槽的温度降低约30℃.     

自然对流融化过程的格子Boltzmann方法模拟及分析

采用基于焓法的格子Boltzmann方法对方腔内相变材料的融化传热及液相流体流动过程进行数值模拟,重点分析Rayleigh数对融化相变传热过程的影响,并通过源强化传热概念及场协同理论,从新的角度去认识其传热机理.研究表明Rayleigh数对融化传热过程有着重要的影响,一方面Rayleigh数增加能够强化加热面的换热性能,但另一方面随着Rayleigh数增大其强化换热的程度减弱,这主要是因为随着Rayleigh数增大,速度场与温度梯度场之间协同性整体上变得越来越差.     

场协同原理强化管外降膜吸收传热特性实验研究

对基于场协同原理设计的两种强化传热管型进行了LiBr降膜吸收水蒸气过程的传热实验研究,并与光滑铜管作比较,考查该传热管型在吸收过程中的强化作用.实验测量参数包括;溶液进出口温度、浓度,流量,冷却水进出口温度、流量等.实验结果表明,两种强化传热管型在低雷诺数时对LiBr降膜吸收传热的强化比分别为20%和50%,而且随着雷诺数的增大而增大.利用场协同理论和降液膜流动的波动特性分析了强化降膜吸收过程传热特性的物理机制,发现速度矢量与温度梯度的夹角及降液膜厚度形成的阻力对对流换热有一定影响.     

机车柴油机组合活塞的换热边界条件及热负荷

讨论了高强化机车柴油机钢顶铝裙组合活塞不同部位如活塞顶燃气侧换热边界条件、活塞侧面与冷却水、组合活塞接触部位、活塞内冷油腔、活塞裙内腔与油雾等热边界条件的确定，并以16V280ZJB型机车柴油机组合活塞为例，借助于通用的三维有限元分析软件MARC计算出16V280ZJB柴油机组合活塞的温度场，计算结果与实测结果相吻合，为进一步进行组合活塞的结构改进与优化设计提供了有效的依据。     

倾斜波纹翅片振荡流热管的三维数值模拟研究

对平板翅片和倾角分别为15°、30°、45°的波纹翅片振荡流热管的流体流动和传热过程进行了数值模拟研究,得到了流体的温度和速度分布,并将其进行比较分析。模拟结果表明波纹翅片振荡流热管的传热效果随着倾角的增大而增强,但同时也增大了压力损失。模拟结果对振荡流热管换热器的强化传热研究有一定的指导意义。     

Physical quantity synergy in laminar flow field of convective heat transfer and analysis of heat transfer enhancement

Based on the principle of field synergy for heat transfer enhancement, the concept of physical quantity synergy in the laminar flow field is proposed in the present study according to the physical mechanism of convective heat transfer between fluid and tube wall. The synergy regulation among physical quantities of fluid particle is revealed by establishing formulas reflecting the relation between synergy angles and heat transfer enhancement. The physical nature of enhancing heat transfer and reducing flow resistance, which is directly associated with synergy angles α,β,γ,φ,θ and ψ; is also explained. Besides, the principle of synergy among physical quantities is numerically verified by the calculation of heat transfer and flow in a thin cylinder-interpolated tube, which may guide the optimum design for better heat transfer unit and high-efficiency heat exchanger.     

Application of a multi-field synergy principle in the performance evaluation of convective heat transfer enhancement in a tube

For laminar and turbulent convective heat transfer, the synergy among vectorial physical quantities of a fluid particle is analyzed to reveal the relation between the multi-field synergy mechanism and heat transfer enhancement. Additionally, the efficiency evaluation criterion (EEC) is proposed to evaluate the overall performance of heat transfer enhancement. Meanwhile, using synergy angles α,β,,γ and η, a unified evaluation system and corresponding evaluation indexes for heat transfer enhancement are suggested. A model of a heat-transfer-enhanced tube inserted with poles in a triangular configuration is built, and a corresponding numerical simulation is conducted to verify the proposed evaluation system and criterion. The calculation results show that there is correlation between synergy angles reflecting the direction of heat transfer enhancement and evaluation criterion reflecting the effect of heat transfer enhancement. In the Re number range of 300-1800, the performance evaluation criterion PEC lies in the range of 1.2-2.3, but the efficiency evaluation criterion EEC lies in the range of 0.33-0.45.     

场协同原理在强化换热与脉管制冷机性能改进中的应用(上)

简要地介绍了场协同原理的基本思想，综述了文献中应用数值分析方法讨论场协同原理在强化单相对流换热分析中的应用情况，说明场协同原理可以将现有文献中关于强化单相对流换热的3种说法统一起来，因而是强化单相对流换热的统一理论。