液压自由活塞柴油机冷却水套的流动及传热分析

【摘要】液压自由活塞发动机的研究在国内起步较晚，目前也只有少数几所高校对其有所涉略。作为未来内燃机行业的希望，它是一种集现代液压技术、内燃机、控制技术于一体的新型特种发动机。在液压自由活塞发动机结构设计中，大部分考虑的是发动机启动、控制和液压方面的内容，而对发动机冷却系统没有进行过深的研究。冷却系统是发动机的重要组成部分，要保证发动机工作在正常温度范围内，就需要冷却系统的合理设计。除了外界必要附件外，水套结构的优良是影响冷却效果最主要的因素，一方面，良好的水套结构可使冷却液流动均匀，热负荷降低，有效提高发动机的可靠性和耐久性；另一方面，良好的水套结构可以减少冷却液流动阻力，从而间接降低发动机的功率消耗，提高发动机的经济性。目前，计算机数值模拟是研究冷却水套流动和传热的重要手段。针对以上几点，本文依据课题组项目对液压自由活塞发动机进行了冷却水套的流动和传热分析，并根据分析结果对水套结构进行了优化设计，为课题的研究设计提供了有价值的参考。本论文共分为六部分，其中第一、二章为理论，第三、四、五章为主要内容，第六章为总结展望。第一章对液压自由活塞发动机的发现状展和结构原理进行了详细介绍，并就课题研究方法、可行性分析、国内外研究背景和意义做了简要说明；第二章对流动和传热的数值模拟基本理论进行详细描述，主要包括CFD软件介绍、数值模拟控制方程、控制方程的求解、边界条件、湍流理论和热弹性理论，为后面计算机仿真计算的进行做了理论说明；接下来三章是本论文的主要部分，先是对冷却水套进行流场计算分析：利用PRO/E软件建立发动机三维模型，然后导入ICEM中进行网格划分，最后在FLUENT中进行流场计算和分析，通过分析得出结论：缸盖水套内，中心区域流速偏低；缸体水套内，入水口侧流量偏大，扫气口上方区域存在冷却不足、涡旋等现象；压力分布比较均匀，进出口总压损失约为11kPa；然后针对流场分析结果提出水套结构改进措施，本文提出了三种修改方案：不同程度的增大四个上水口尺寸、增加扫气道鼻梁区水套结构、将水套入水口向上倾斜的角度由30°改为25°，优化后的水套流场冷却均匀，效果明显；最后将修改后的发动机模型导入ANSYS中进行热负荷计算分析，从热应力和应变云图分析知道，优化后的发动机模型温度载荷下最大应力为210Mpa，最大应变为0.2441mm，都在发动机材料能够承受的范围内，结果证明发动机水套结构优化正确、效果明显。最后一章对全文进行概括总结，并对后期工作做了展望。
【作者】李朋；
【导师】袁兆成；
【作者基本信息】吉林大学，动力工程，2014，硕士
【关键词】自由活塞发动机；冷却水套；流场；传热；仿真计算；

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