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長期以來，隨著傳熱學的發(fā)展，對內(nèi)燃機傳熱的研究也有了長足的進步，尤其是對燃燒室的單個零部件(活塞、缸套、氣缸蓋等)溫度場和熱應(yīng)力計算、分析都已趨于成熟。但是這種方法存在著一些缺陷：各個零部件相互獨立，邊界條件不能耦合，不能很好地從整體反映內(nèi)燃機的工作狀態(tài)。目前對于內(nèi)燃機的研究主要是對活塞、氣缸套、氣缸蓋等部件的局部耦合或整體耦合傳熱分析。但是內(nèi)燃機整機傳熱過程全模擬設(shè)想的實施難度太大，它不僅需要對缸內(nèi)工作過程、燃燒室部件傳熱模型有很高的仿真程度，還需要較高的數(shù)值有限元分析技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展水平。尤其是內(nèi)燃機傳熱中活塞-缸套傳熱仿真更是重點難點。而活塞-缸套傳熱仿真中的難點又在于邊界條件的難以確定和復(fù)雜的加載方式。杭州那泰有限元分析公司在耦合傳熱分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合ANSYS中移動載荷的加載方式，對復(fù)雜的邊界條件加載進行了簡化，以期簡化計算程序。
仿真模型中，假設(shè)活塞沿缸套內(nèi)壁只做上下往復(fù)運動，忽略其徑向擺動，活塞位置x與曲柄轉(zhuǎn)角ψ(當活塞位于缸套頂端時，ψ= 0)之間存在幾何關(guān)系。由活塞和缸套的運動關(guān)系計算可得，工作循環(huán)內(nèi)活塞頂面與缸套最上端的距離隨曲軸轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系。
以 4100QBZ 柴油機為例，進行活塞-缸套的三維建模仿真與計算。利用有限元軟件ANSYS建立模型，三維有限元模型的建立應(yīng)進行相應(yīng)的簡化(略去圓角、倒角等)。仿真模型中的缸套和活塞為不同材料，對它們分別劃分網(wǎng)格，2種材料的傳熱特性分別如文中所述。
在傳熱模擬計算中，常見的導(dǎo)熱特征邊界條件有：第1類邊界條件—恒定溫度；第2類邊界條件—熱流密度；第3類邊界條件—對流。在活塞-缸套的傳熱模擬計算中主要采用的是第1類邊界條件和第3類邊界條件。
初始條件是由缸內(nèi)當量循環(huán)平均燃氣溫度Tgm和當量循環(huán)平均傳熱系數(shù)σgm計算得到的活塞-缸套穩(wěn)態(tài)溫度場決定。缸內(nèi)當量循環(huán)平均燃氣溫度Tgm和當量循環(huán)平均傳熱系數(shù)σgm由式公式確定。
缸內(nèi)燃氣與燃燒室部件的熱交換情況受燃燒室的形狀、發(fā)動機性能多種因素影響，模擬常常采用一些經(jīng)驗公式進行計算。缸內(nèi)燃氣側(cè)的邊界條件是仿真計算的關(guān)鍵。選用艾歇伯格(Eichelberg)經(jīng)驗公式，計算燃氣的瞬時換熱系數(shù)。
燃氣瞬時壓力Pg可從柴油機標定工況的示功圖直接讀出；柴油機標定工況的燃氣瞬時溫度如圖柴油機標定工況的燃氣瞬時溫度所示，根據(jù)公式推算可得出柴油機標定工況的燃氣瞬時換熱系數(shù)。
采用 Dittus-Boelter 管內(nèi)湍流強制對流傳熱的經(jīng)驗公式，計算冷卻水的傳熱系數(shù)，并確定冷卻邊界條件。
目前很少有比較成熟的理論可以解決油束及油腔的換熱問題，通常采用經(jīng)驗公式計算。冷卻油換熱條件根據(jù)噴濺冷卻放熱系數(shù)。
缸套頂端和下端與介質(zhì)換熱量較少，接觸面積較小，故可考慮做絕熱處理。缸套外側(cè)有少部分與缸體接觸，形成封閉的循環(huán)冷卻水空間，該接觸面的面積及熱流量較小，對整個傳熱影響不大，在計算中邊界條件根據(jù)接觸熱阻進行計算。
由于是對瞬態(tài)狀態(tài)的求解，對于邊界條件加載要求較高。首先在燃氣側(cè)因為活塞-缸套之間的相對運動，熱載荷在缸套內(nèi)壁上面積也會隨之發(fā)生改變。采用了ANSYS中移動載荷的加載方式，利用ANSYS中循環(huán)語句，在第一次加載載荷用完后，將之刪除，重新加載新的載荷條件，如此重復(fù)，即可使邊界條件也隨之動態(tài)變化。其次冷卻水側(cè)的邊界條件、潤滑油側(cè)邊界條件、缸套與缸體、缸蓋側(cè)的邊界條件都將以面載荷的形式施加在缸套-活塞模型的相對應(yīng)位置。
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