船用柴油机活塞瞬态温度场测试与分析研究

论文摘要

在柴油机工作时,燃烧室周围部件同高温高压燃气直接接触。燃气与燃烧室壁面之间的热交换特性直接影响缸内工作过程、热效率、排放特性和热强度。温度场作为评价传热特性的主要参数,是燃烧室结构、冷却系统、润滑系统设计的重要依据。通过对燃烧室各组成部件瞬态温度场的数值模拟与试验研究,能够掌握仿真计算与动态测试的方法,准确描述和分析柴油机传热的微观机理与热流分布,提升燃烧室周围关键部件的性能分析及评估能力。在燃烧室周围部件中,活塞是运动件,其温度场的仿真计算与试验测试的难度也最大,具有代表性。本文以活塞作为研究对象,完成了活塞瞬态温度场的数值模拟计算、仿真精度影响因素分析、高动态响应温度传感器研制、实时无线数据传输系统开发及三维瞬态数值模拟边界条件确定方法等五项研究内容。1)建立活塞三维瞬态温度场数值仿真计算模型,并以620单缸机活塞为具体研究对象,深入分析了活塞瞬态温度场的特点。分析表明活塞的瞬态温度场的温度波动区主要集中在同燃气接触的表面,活塞内部温度剧烈波动区发生在距离活塞表面2mm距离内,在此区域内瞬时温度变化率峰值最高可以达到25℃/ms。2)深入分析了燃气与活塞壁面的热交换系数、活塞环组与缸套的换热系数、冷却腔的换热系数对数值模拟计算精度的影响。选取活塞燃气侧特征点、环区特征点、冷却腔区特征点的温度作为评价指标,采用相关分析方法研究了数值模拟过程中各关键参数及边界条件对模拟结果的影响程度,进一步明确了提高活塞瞬态温度场数值模拟与试验研究的研究重点及技术要求。3)根据活塞瞬态温度场的特点及数值模拟的精度验证要求,开发了以高动态响应温度传感器和实时数据无线传输系统为特征的温度场测试系统。通过深入分析薄膜热电偶的工作机理,研制了高动态响应测温元件,并通过开发专用的激光高能量短脉冲标定系统完成系统的动态标定。开发了缸内无线实时数据传输系统,实现了曲轴转角分辨率优于10CA的动态温度场实时测量。4)采用自行研制开发的瞬态温度场测试系统在620单缸机试验台上进行了活塞温度场的实测验证,取得了活塞温度场关键点的动态温度数据,通过测试结果与数值模拟的对比分析,发现采用经验公式作为数值模拟的边界条件无法保证计算精度,某些特征点的动态温度计算误差超过10%。主要原因是现有的任何经验公式都无法准确描述活塞燃气侧的换热系数,不同区域的换热系数的数值甚至相差几倍,表明采用动态温度测试系统对相关边界条件进行测试修正是完全必要的。5)利用所研制的缸内瞬态温度测量系统的精确测量结果,设计了基于反求法的边界条件修正算法,并验证了修正方法的可行性与精度。由于该算法不依赖部件的结构参数,同样可以应用于燃烧室其他部件的边界条件确定,为数值模拟计算的边界条件修正提供了一条有效的技术途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 船用柴油机活塞温度场测试方法研究概况
• 1.2.1 硬度塞法
• 1.2.2 易熔合金法
• 1.2.3 电测法
• 1.2.4 活塞温度场测试技术的优缺点比较
• 1.3 船用柴油机活塞温度场数值模拟方法研究概况
• 1.3.1 柴油机多部件耦合传热数值模拟研究概况
• 1.3.2 柴油机活塞数值模拟研究概况
• 1.4 论文研究意义及关键技术
• 1.5 论文的主要工作
• 第2章 船用柴油机活塞瞬态温度场的数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 活塞三维瞬态温度场数值模拟有限元法
• 2.2.1 变分原理
• 2.2.2 活塞温度场控制方程
• 2.2.3 温度场的三类边界条件
• 2.2.4 求解活塞导热方程的伽辽金有限元方法
• 2.3 620单缸机活塞三维瞬态温度场的数值模拟计算分析
• 2.3.1 活塞有限元模型的建立与网格划分
• 2.3.2 活塞换热系数的确定
• 2.3.3 活塞稳态温度场分析
• 2.3.4 活塞瞬态温度场仿真分析
• 2.4 边界条件对温度场数值模拟计算的精度影响分析
• 2.4.1 数值模拟精度分析方案及仿真结果分析
• 2.4.2 边界条件对数值模拟影响的相关性分析
• 2.4.3 关键边界条件与典型特征点的相关性计算
• 2.4.4 各边界条件交互作用的相关性分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 高动态响应薄膜热电偶研制
• 3.1 引言
• 3.2 薄膜材料的热电特性分析
• 3.3 薄膜热电偶的热电势率分析
• 3.4 NiCR/NiSi薄膜热电偶的动态性能分析与评估
• 3.5 NiCRNiSi薄膜热电偶的制作与标定
• 3.5.1 制作工艺的基本原理及特点
• 3.5.2 氧化铝薄膜的制备
• 3.5.3 氧化铝薄膜性能分析
• 3.5.4 NiCr/NiSi薄膜热电偶的制作
• 3.6 NICR/NISI薄膜热电偶的静态标定
• 3.7 NICR/NISI薄膜热电偶的动态标定
• 3.8 本章小结
• 第4章 无线数据传输系统研制
• 4.1 引言
• 4.2 无线数据传输系统整体方案设计
• 4.3 多路信号编码器设计
• 4.3.1 多路模拟开关的切换电路与时序电路
• 4.3.2 多路模拟开关的切换电路的时钟电路设计
• 4.3.3 多路模拟开关的切换电路的通道标志与校准
• 4.4 无线发射模块设计
• 4.4.1 无线数据传输模块的方案设计
• 4.4.2 热电偶信号调理模块设计
• 4.4.3 电平偏移电路设计
• 4.4.4 电压—频率转换电路设计
• 4.4.5 2FSK发射电路设计
• 4.4.6 2FSK接收电路设计
• 4.4.7 频率一电压转换电路设计
• 4.4.8 后级去偏置及输出电路
• 4.5 无线数据传输模块性能测试
• 4.6 本章小结
• 第5章 活塞瞬态温度场的试验验证与仿真优化
• 5.1 引言
• 5.2 试验总体方案设计
• 5.3 试验测试系安装标定与联调
• 5.3.1 薄膜热电偶传感器及无线数据传输系统的安装
• 5.3.2 测试系统的标定与联调
• 5.4 试验研究与试验数据分析
• 5.5 动态温度场数值模拟计算优化分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢