发动机缸体温度场计算
柴油机活塞温度场和耦合应力计算
以往文献大多单独计算活塞的热负荷与机械负 荷，但是在分析活塞变形时，发现活塞的变形实际 上是热负荷与机械负荷同时作用的结果，因此有必 要对活塞的热应力与机械应力进行耦合计算，其计 算结果如图 6。
限为 930 MPa，抗拉强度为 1 080 MPa。通过比较， 连接螺栓所承受的拉应力并没有超过螺栓的强度极 限。但是螺栓此刻受力已接近屈服极限，设计时应 注意螺栓的强度。
5 连接螺栓强度分析
连接螺栓在高热负荷下工作时的受力主要由两
部分组成： 一是螺栓本身的预紧力和惯性力产生的
拉应力，二是活塞与缸套之间的摩擦力产生的拉应
（ 3） 分析活塞连接螺栓的强度得知： 连接螺栓 所承受的拉应力虽没有超过螺栓的强度极限，但已 接近屈服极限，设计时应加以关注。
螺栓在装配时先用 65 （ N·m） 的扭矩将其拧紧， 然后松开； 再用相同的扭力将其拧紧，再松开； 最 后再用同样扭力拧紧。当拧紧力矩为 65 （ N·m） 时， 预紧力为 30 952 N［4塞温度场和耦合应力计算
·43·
腔耦合应力很大，应力值为 443 MPa。这是因为无冷 却时，燃烧室燃烧产生大量热量但没有得到较好的散 热，进而产生大的热负荷。而活塞热负荷主要影响活 塞头部的应力分布，综合应力是热负荷与机械负荷共 同作用的结果，故而综合应力较大。分析活塞的变形 量，X 向变形量最大值为 0. 77 mm。Z 向变形量最大 值为 0. 785 mm，超过了配缸间隙 0. 505 8 mm。
发动机机体的温度场分析
作者简介：发动机机体的温度场分析【摘要】利用CA TIA 建立发动机机体模型，将简化后的机体三维模型导入Hypermesh ，得到有限元模型。
将机体的温度场作为稳定温度场处理，利用A VL-Boost 模拟出缸内气体的温度和换热系数，分段确定气缸壁的温度边界条件，根据已有经验公式求出缸体外壁、曲轴箱内壁以及机体与连接件间的温度边界条件，同时根据经验估算水套内的换热系数和温度，将这些温度边界条件施加到机体的表面上。
最后，应用有限元软件MSC.MARC 对机体进行温度场分析，得到了机体的温度场分布。
【关键词】机体，换热系数，温度场，边界条件，有限元Thermal Field Analysis of the Engine Cylinder BlockAbstract: In order to obtain the thermal field of the cylinder block, a 3D model created in CATIA was simplified before put into Hypermesh to get the FEA model. Then the thermal and heat exchange condition were calculated through operation process modeling based on A VL-Boost. Taking the thermal distribution as steady one and dividing the thermal condition of cylinder wall into parts, the overall thermal boundary conditions, including the outboard cylinder wall, crankcase inner wall and the one between cylinder and linker were presented, according to the experimental formulas. Meanwhile, the exchange coefficient and temperature distribution were given aiming at adding them to the surface of cylinder block. In the end, the total thermal distribution of cylinder block was finished by means of applying the MSC.MARC to analyze the thermal field.Key words: Cylinder Block, Heat Exchange Coefficient, Thermal Field, Boundary Condition, FEA1 引言近年来，随着计算机技术的迅速发展，特别是有限元方法和分析软件的日益成熟，在发动机研制开发工作中对零件进行有限元分析己成为辅助设计的重要手段。
发动机缸体温度场计算
发动机缸体温度场计算作者：田晶作者单位：中国一汽集团公司1.期刊论文吴庆亮.郭志平.孙双.贺向新.Wu Qingliang.Guo Zhiping.Sun Shuang.HeXiangxin新型二冲程微型摆式内燃机缸体温度场的有限元分析-小型内燃机与摩托车2007,36(4)在新型二冲程微型摆式内燃机(MFSPE)的设计及完善过程中,温度场分析占有重要地位.从数值计算所得的燃烧室周期温度曲线中,均匀提取32个载荷点,基于ANSYS软件按32个载荷步进行载荷施加及求解分析,得出了缸体各载荷步的温度场等效云图,并对部分有代表性的图从温度场的角度进行分析,提出了缸体改进设计的建议.2.会议论文尹庆华.范继林.张显宜.马俊杰.蔡宇.许毅.石利军.全胜灿.逄伟铸造一厂二线2S1002014-36D缸体压箱冷却温度场的测试2005本文介绍了在铸造一厂二线进行2S1002014—36D缸体浇注后压箱冷却条件下测试温度场的情况,得到了现生产条件下二线生产六缸缸体的压箱冷却曲线,为质量控制提供了依据,并对冷却曲线进行了简要分析。
3.学位论文周建荣发动机缸体浇注系统的优化设计与数值模拟2009缸体、缸盖是发动机上最重要、最大的铸件，是整个发动机生产中的难点和重点，其铸造工艺水平是决定发动机质量的基础条件。
近年来随着计算机技术的发展，计算机数值模拟技术已发展为铸造过程最具潜力的模拟预测工具，并在某些方面已经进入工业化应用阶段，成为铸造行业发展不可缺少的环节。
发动机缸体、缸盖的铸造一直是铸造行业的一个难点，将发动机缸体铸造过程通过数值模拟软件进行仿真模拟，使整个铸造过程清晰明了的表现出来，对实际生产有借鉴和指导的作用。
本文首先利用“大孔进水”理论对发动机缸体的浇注系统进行优化设计，并在初始设计方案的基础上进行改进，得到二种改进设计方案。
通过UG建立三种设计方案的三维模型，再利用Patran建立它们的有限元模型，然后在有限元铸造过程分析软件ProCAST中对三种方案的成形过程进行数值模拟，主要模拟了发动机缸体充型过程的速度场与温度场、凝固过程的温度场，以及对可能产生缩孔缩松等缺陷的区域进行预测。
汽轮机高压缸三维瞬态温度场计算与实验
文章编号:1001—2060(1999)02—0140—03汽轮机高压缸三维瞬态温度场计算与实验(哈尔滨七○三研究所) 刘殊一(大庆石油管理局技校) 梁 军(哈尔滨工程大学) 高璞珍[摘要] 汽轮机在快速冷态启动时,高压缸的热应力相当大,缸体易出现裂纹,文中根据某高压缸实型建立了高压缸三维温度场、热应力场的数学物理模型,确定了合理的边界条件。
利用有限元程序进行了三维瞬态温度场、热应力场计算,找出了在冷态紧急启动时,产生最大热应力的时间和部位,将计算结果与试验结果相比较,两者吻合得很好。
关键词 汽轮机 高压缸 瞬态温度场中图分类号 T P12621 前言 汽轮机机组的启动时间过长会造成严重的能源浪费,尤其是电站调峰机组,由于单机容量日趋增大和昼夜电负荷变化造成的频繁启动,有必要缩短机组启动时间,对机组进行快速冷态启动。
然而冷态快速启动会引起较大的温度梯度,随之产生较大的热应力和热变形,危及机组安全运行。
我国运行的高温高压机组中,有不少高压缸调节级处出现了裂纹,这基本上是由于启动和变工况运行时调节级区域温度变化剧烈,引起过大的交变热应力所致。
因而近年来人们展开了汽轮机温度场研究,以寻求最佳的结构和最佳的启动方式。
由于汽缸结构复杂、体积较大,对高压缸的瞬态温度场和热应力场都是采用实验手段测试的。
而测点的布置又是凭经验,所以测试的温度值和热应力值不一定是最大值。
目前由于有限元程序的开发和利用,对于汽缸瞬态温度场和热应力场的计算研究已成为可能。
本文针对25M W工业汽轮机高压缸进行了三维瞬态温度场计算。
在计算之前进行试验测试,在汽缸不同位置上分别布置了10多个测点。
在冷态快速启动时每隔三分钟记录一次温度值,测定使用电子电位差计。
本文采用汽缸温度场、应力场实验测试与理论计算相结合,确定汽缸上的应力水平,对保证汽缸结构设计和运行方式的合理性是有一定的实用价值的。
2 理论模型本文根据高压缸的具体情况做了以下假设:(1)高压缸是以子午面为对称的结构;(2)材料各向同性,材料的物性是温度的函数;(3)不考虑辐射换热的影响;(4)无内热源;(5)缸体外壁绝热,内壁按第三类边界条件给定;物体导热微分方程式的普遍形式为99t(ρCpT)=div(K・grad T)+q v(1)式中:T为温度,℃;t为时间,s;K为导热系数,WΠ(m2・℃);ρ为物体密度,kgΠm3;Cp为定压比热,kJΠ(kg・℃);qv为热源强度,WΠm3。
天然气发动机活塞温度场仿真计算与测试分析
天然气发动机活塞温度场仿真计算与测试分析何永生;吴宇波【摘要】借助ANSYS有限元分析软件对新开发的天然气发动机的活塞进行额定工况点的温度场仿真计算,得到活塞此工况点的温度场分布和疲劳安全系数.同时利用硬度塞法对活塞在整个工作过程中的温度场进行测试分析,验证仿真计算结果的可靠性.仿真计算结果表明,活塞最高温度为316.4℃,位于燃烧室顶部,疲劳安全系数大于1.设计的活塞满足天然气发动机的工作要求.【期刊名称】《柴油机设计与制造》【年(卷),期】2017(023)004【总页数】4页(P5-8)【关键词】气体发动机;活塞;温度场;仿真计算;测试【作者】何永生;吴宇波【作者单位】龙口龙泵燃油喷射有限公司,龙口265701;上海柴油机股份有限公司,上海200438【正文语种】中文活塞是内燃机的一个重要零件。
由于活塞结构复杂、工作条件恶劣，其可靠性对保证发动机性能而言至关重要。
天然气发动机以其利用清洁能源，有利于节能减排的优势正在悄然兴起。
随着天然气发动机应用的逐步普及，天然气发动机所暴露的问题也逐渐增多，特别是活塞。
其与高温高压燃气直接接触，承受较大的热负荷，易产生开裂、烧蚀等问题。
本分析从研究活塞温度场的角度出发，利用有限元仿真软件，对天然气发动机活塞在工作状态下的温度场分布和疲劳安全系数进行仿真计算，并通过活塞温度场测量试验来验证有限元仿真计算的可靠性，为天然气发动机活塞的设计提供相关指导。
2.1 活塞3维建模及网格划分在有限元分析之前，对仿真对象进行建模和网格划分。
研究的活塞带敞口型燃烧室。
根据活塞的CAD设计图纸，利用Pro/E建立了活塞的全尺寸3维模型，如图1所示。
考虑到活塞对称性，取活塞、活塞销和连杆小头的1/2模型作为有限元分析模型，划分有限元网格。
活塞有限元网格如图2所示，活塞有限元网格信息见表1。
为了使仿真结果更加精确，可根据情况调整网格结构，并对必要部位进行适当修正。
2.2 活塞材料及边界条件活塞材料为BH122A（牌号），其主要物理机械性能见表2。
基于缸内燃烧分析的发动机金属温度场计算方法
基于缸内燃烧分析的发动机金属温度场计算方法丁宁;徐政;陈明;张小矛;王玲芳;邬文睿【摘要】为了提高发动机缸盖、缸体金属温度场分析的准确度,提出了一种基于缸内燃烧分析的发动机金属温度场分析方法.首先,基于发动机的标定信息,进行了缸内的燃烧分析,研究了各部分边界上的对流传热量;其次,进行了水套的流动分析,对其传热系数进行了评估;再次,考虑了活塞环与缸壁的摩擦换热及活塞与缸壁的热传导;最后,基于上述的热边界条件进行了金属温度场的计算,并与试验进行了验证.结果表明:采用该算法,缸盖、缸体金属温度场分布比较合理,监测点温度与试验比较吻合.【期刊名称】《内燃机工程》【年(卷),期】2017(038)005【总页数】6页(P127-132)【关键词】发动机;燃烧分析;传热系数;摩擦;热传导【作者】丁宁;徐政;陈明;张小矛;王玲芳;邬文睿【作者单位】上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海市汽车动力总成重点实验室,上海201804;上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海市汽车动力总成重点实验室,上海201804;上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海市汽车动力总成重点实验室,上海201804;上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海市汽车动力总成重点实验室,上海201804;上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海市汽车动力总成重点实验室,上海201804;上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804;上海市汽车动力总成重点实验室,上海201804【正文语种】中文【中图分类】TK464发动机缸盖、缸体的结构温度场计算作为发动机CAE的重要内容，是缸盖、缸体强度分析的重要组成部分，同时也是高周疲劳分析、低周疲劳分析的基础，在整个发动机CAE分析体系当中具有十分关键的作用[1-2]。
但是，该温度场的计算受到气体侧对流传热、水侧对流传热、活塞与缸壁的摩擦换热、活塞与缸壁的热传导及金属的材料属性等多种因素共同影响，计算难度比较大。
一种计算汽缸二维温度场的新方法
Ａ Ｎ ｗ Ｍｅｈ ｄｔ ｓ ｍａｅＴ ｏｄｍｅ ｔ ｎＴ ｍｐ ｒｔｒ ｉｌ ｆＳｅ ｍ ｕｂｎ ｙｉｄ ｒ ｅ ｔｏ ｏＥ ｔ ｔ ｗ —ｉ ｎｉ ｅ ｅａｕｅＦｅｄｏ ｔａ Ｔ ｒｉｅＣ ｌ ｅ ｉ ｏ ｎ
Ｚ ＨＡＮＧ Ｘｕ — ａ ， ＨＥＮＧ Ｓ ａ － ｅ ＸＵ Ｈｏ ｇ ｅｋｉＺ ｈ ｎｈ ， ｎ
０ 前
言
量法 ， 推导出蒸汽温 度随轴 向变化的汽缸二维不稳定 温度场 的解析解 ， 过 Ａ Ｓ Ｓ验证 ， 果符合工程要求 。 通 ＮＹ 结
随着国民经济的发展 和人 民生活 水平 的提 高 ， 电网用 电 结构发生了很大变化 ， 第一产业用 电量逐 年下降 ， 第二 、 第三
产业 用 电量 逐 年上 升 ， 网 峰 谷 差 日趋 增 大 ， 别 是 用 电 大 电 特
解析解 。对理论模型进行 了有限元验证 ， 计算结果与有 限元结果误差较小 ， 满足工程计算的需 要。
关键 词 ：பைடு நூலகம்缸 ； 膨 胀 ； 限 元 ； 维 汽 热 有 二
分类 号： Ｋ ６ Ｔ ２３１
文献标识码 ： Ａ
文章 编号 ：０ １５ ８ （０ ７ ０ －３３ ３ １０ －８４ ２０ ）５０ ４ － ０
胀差是制约机组快速启动 的一个瓶颈 ， 如果 能 比较准确地 计 算出汽缸 和转子 各级 处 的膨 胀量 ， 可 以在线 监 测 动静 间 就 隙 ， 对加快机组启 动和提高机组运行 的安全性 都具有重要 这
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意义。 目前 ， 电厂监测机 组轴 向膨胀 时 ， 般采 用汽缸 端部 一
１ 圆筒壁非稳态导热温度场分布 ］
航空发动机流体力学和温度场的计算需求及ANSYS实现
航空发动机流体力学和温度场的计算需求及ANSYS实现航空发动机是航空器中最重要的组成部分之一，其性能直接影响到飞机的安全、经济性和可靠性等方面。
而航空发动机的流体力学行为和温度场分布则是其性能评估和优化设计的重要参数。
在航空发动机的设计和研究中，常常需要进行流体力学和温度场的计算，以便了解发动机内部的气流情况和温度分布，并进行流场优化和温度控制。
1.气流分布研究：确定发动机内部的气流分布情况，例如进气道、压气机、燃烧室、高压涡轮和喷管等部位的气流速度、压力和温度分布等。
这些信息对于评估气流控制和热传导等问题非常重要。
2.组件间相互作用研究：航空发动机中的各个部件之间相互作用的流体力学问题，例如进气口和压气机之间的气流导向、叶片和压气机之间的气动性能等。
这些相互作用的研究对于发动机整体性能的评估和优化设计具有重要意义。
3.气动噪声研究：航空发动机的气流振动和气动噪声也是一个重要的研究问题，需要通过流体力学计算，了解气流对发动机和周围环境的噪声产生和传播情况，并进行噪声控制。
1.温度分布研究：航空发动机中的各个部件的温度分布情况对于发动机的热设计和材料选择具有重要意义。
通过温度场计算，可以了解到发动机内的高温区域和冷却区域，以及热传导路径等信息。
2.热应力分析：航空发动机工作时会产生高温和高压的环境，这对发动机材料的热应力性能提出了很大的要求。
通过温度场计算，可以评估发动机零件的热应力情况，以指导材料选择和结构设计。
3.热管理研究：航空发动机的热管理是一个重要的课题，需要合理的冷却系统来控制发动机的温度分布。
通过温度场计算，可以优化冷却系统设计，提高发动机的热效率和可靠性。
ANSYS在航空发动机流体力学和温度场计算中的实现：ANSYS是一种常用的工程模拟软件，可以进行流体力学和热传导等问题的数值计算。
1.流体力学模拟：ANSYS提供了流体力学模块，可以模拟航空发动机内部的气流分布，了解气流速度、压力和温度等参数的分布情况。
30-基于CONVERGE软件的缸盖缸体温度场分析
图 1 温度场分析的体系
3 缸内燃烧分析
本文所研究的发动机是一款排量为 1.5L 的直列四缸自然吸气发动机，其喷射系统采用是进气道 低压喷射。针对最大功率点 6000WOT，采用了 CONVERGE 软件进行缸内瞬态流动、燃烧分析。由 于是在进气道中闭阀喷射，我们采用了在进气边界设置吸入均匀混合气的方法。进排气门配气相位 和一维瞬态边界条件均来自于 GT-POWER 软件的结果， 点火时刻的设置为上止点前 18 度曲轴转角。 该分析过程包括了进气、压缩、做功和排放完整的四个冲程，共 720 度曲轴转角。
平均温度 [ C] 653 760 759 534 52 613 157 648
O
传热面积 [m2] 0.0417 0.00474 0.00712 0.013 0.052 0.00648 0.00848 0.01877
传递功率 [W] -8440.2 -805.3 -637.6 -2689.6 181.8 -561.2 637.45 -5415.8
Bez 活塞环标准参考张紧力 塞环张紧力； （三个环从上到下分别为 35N， 39N， 57N） ；d 为缸径；d Bez
为标准参考缸径（165mm） 。常数 c1 、 c 2 、 c 4 分别为 28，0.25，2.59。 当 u 0 时， c3 a
g Bez h f p e u b 2 c u d p Bez
TOl TOl , Bez TOl , Bez
).(1 c3
p p Bez Bez d ).c4 .( ) p Bez d Bez
（3）
式中， FR 代表活塞环与缸壁之间的摩擦力； u 代表活塞的瞬态运动速度； TOl 为机油的温度； ； 为活 TOl , Bez 为机油的标准参考温度（40oC）; p 为缸内气体的压力； p Bez 为标准参考压力（1bar）
发动机缸体模态、刚度、温度分析
1.问题描述：对188MQ水冷缸体进行校核，考察是否满足设计要求.2.问题分析：主要是分析缸体的模态、温度场、热应力、热变形和刚度。
3.缸体分析过程：3.1自由模态计算分析建立有限元模型，采用3mm网格尺寸。
缸体材料属性：铝合金弹性模量取72000，泊松比取0.3，密度为2.7e-9T/mm3。
对1~12000Hz频率的模态进行计算。
自由模态计算结果前四阶模态2183Hz 2849Hz3062Hz 3344Hz4010Hz由上述可知缸套在特定的频率内无局部振型，缸套头部出现的振型在施加螺栓预紧力后可消除。
3.2温度场计算3.2.1边界条件缸体的热传导系数取163W/m*k，比热为900J/（kg0C）；水的热传导系数取1500W/m*k；机油温度400K，环境温度300K。
边界条件如下所示：在燃烧室位置施加2625.14°的一个周期气缸等效温度值，温度施加如下：3.2.2温度场计算结果缸体计算结果，最高温度485K由分析结果可知：温度场分布均匀，小于设计要求最高温度550K满足要求。
3.3热应力计算边界条件导入温度场的计算结果和对缸套顶部施加一个轴向和径向的约束，如下图所示; 计算结果由计算结果可知:缸套的热应力为164.4Mpa ，小于设计要求300Mpa。
3.4热变形计算由计算结果可知：左右11.8+10.3=22.1S,前后10.0+10.3=20.3S,变形差22.1-20.3=1.8S，缸套的径向热变形差小于4S。
满足设计要求。
3.5螺栓预紧力下刚度分析3.5.1密封性分析参考标准计算值结论缸体下端面>1Mpa 15.3Mpa 合格3.5.2缸套变形分析左右1.91-0.45=1.46S ,前后1.15-0.18=0.97S,变形差1.46-0.97=0.49S小于2S，满足要求。
3.5.3缸体侧压力分析缸体底面约束3个方向自由度，在活塞位置施加气缸体侧压力5200.2N。
「航空发动机流体力学和温度场的计算需求及ANSYS实现」
「航空发动机流体力学和温度场的计算需求及ANSYS实现」航空发动机的流体力学和温度场的计算是发动机设计和性能分析的关键环节，对于优化发动机结构和提高燃烧效率具有重要意义。
本文将介绍航空发动机流体力学和温度场的计算需求，并探讨使用ANSYS软件实现的方法。
首先，航空发动机的流体力学计算需求主要包括气流分布、压力场、速度场和湍流特性等方面的分析。
气流分布的计算可以帮助我们了解发动机内部的气流走向和分布情况，为优化燃烧室设计和冷却系统提供依据。
压力场和速度场的计算可以帮助我们了解压缩和加速过程中的能量损失情况，为提高发动机效率提供参考。
湍流特性的计算可以帮助我们了解湍流引起的能量损失程度和发动机性能的不稳定性，为优化湍流控制和减小能量损失提供依据。
其次，航空发动机的温度场的计算需求主要包括燃烧温度、涡轮出口温度和冷却效果等方面的分析。
燃烧温度的计算可以帮助我们了解燃烧室内的燃烧过程和温度分布情况，为优化燃烧效率和控制燃烧室温度提供依据。
涡轮出口温度的计算可以帮助我们了解喷气发动机内部的能量转换和温度分布情况，为设计高温部件和降低热损失提供参考。
冷却效果的计算可以帮助我们了解冷却系统的效果和热交换程度，为设计有效的冷却系统提供依据。
ANSYS软件是目前航空发动机流体力学和温度场计算的行业标准工具，可以用于模拟和计算各种复杂的流体和温度场问题。
ANSYS软件提供了强大的求解器和模拟工具，可以处理多相流、湍流、辐射传热等复杂的物理过程。
通过ANSYS软件，我们可以建立几何模型、网格划分、设置边界条件和求解参数，并进行流体力学和温度场的数值模拟和分析。
在使用ANSYS软件进行航空发动机流体力学和温度场的计算时，需要注意以下几点：1.模型几何的精确建模，包括发动机内部的各个组件以及与周围环境的耦合；2.网格划分的合理选择，保证网格质量和分辨率，以获得准确的计算结果；3.边界条件的设置，包括入口条件、出口条件、壁面条件等，要根据实际情况和问题需求进行合理的设置；4.物理模型和求解器的选择，根据所要分析的问题特点选择合适的数学模型和求解方法，以获得准确的模拟结果；5.模拟结果的后处理和分析，包括流场和温度场的分布图、剪切应力和热应力分析等，以提供有效的设计和优化建议。
第三节 气缸内热力工程计算
3.理想气体状态方程 （2.1.9）
能量守恒方程式(2.1.6)、质量守恒方程式(2.1.8)和状态 方程式(2.1.9)，三个方程联合求解即可解得确定气缸内状 态的三个参数 压力p、温度 态的三个参数：压力 温度T及质量m。上述三个方程中 上述三个方程中 所含的dV、dQw、dQB、dms、dme等微分变量以及它们的 计算公式，将在下面的章节中分别介绍。
（2.4.3） 式中 p——气缸内工质压力，MPa； T T—— 气缸内工质温度 K； 气缸内工质温度， D——气缸直径，m； Cm——活塞平均速度，m／s； pa、Ta、Va——压缩始点时的气缸内工质压力(MPa)、温 度(K)、气缸容积(m3)； Vs ——气缸工作容积， 气缸 作容积 m3； p0——发动机倒拖时的气缸压力，MPa； Cu——稳流吹风试验时，风速计叶片的切向速度， 稳流吹风试验时 风速计叶片的切向速度 m／s；
第三节 气缸内热力过程计算
1 气缸内热力过程的基本微分方程 2 气缸内各阶段的热力过程分析 3 气缸工作容积 4 气缸周壁的传热 5 燃烧放热率计算 6 进、排气流量计算 7 平均机械损失压力
1 气 气缸内热力过程的基本微分方程 内 力 本微 为了描述气缸内工质状态变化 视气缸为一个热力系统 为了描述气缸内工质状态变化，视气缸为 个热力系统， 系统边界由活塞顶、气缸盖及气缸套壁面组成，如图2‐1所示。 系统内工质状态由压力p、温度T、质量m这三个基本参数 确定。 确定 能量守恒方程 质量守恒方程 理想气体状态方程 p、T、m
二、燃烧阶段 燃烧阶段由燃烧开始时刻起至燃烧终点止。此阶段中， 气门处于关闭状态 气门处于关闭状态， 故质量守恒方程式(2.1.8)简化为： （2.2.3） 式中gf (kg/cyc)为发动机的循环喷油量， 内燃料燃烧百分数。 能量守恒方程式(2.1.6)简化为： 为气缸 ，但有燃料逐步喷入气缸， 但有燃料逐步喷入气缸
发动机气缸盖三相耦合计算与温度场试验研究-廖明烽
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
润滑油也容易氧化变质，既增加机油消耗量，又使零件的润滑条件恶化，导致零件 磨损加剧[3]。 冷却系统不能正常工作将导致众多问题，但是如果冷却过度，同样也会导致大 量负面影响，其中包括： (1) 正常情况下，冷却系统的散热量为燃烧所发出热量的15%～25%左右，倘若 冷却过度，会使燃气转变为有用功的热量减少，热量损失增大，进而造成发动机热 效率降低，动力性能变差。 (2) 工作温度低，燃油不易蒸发，不利于混合气的形成；同时造成点火困难，燃 烧迟缓，发动机易出现工作粗暴、燃烧不完全等现象，直接造成发动机功率下降和 燃料消耗量增加等问题。 因此，如果冷却过度，会直接导致柴油机有用功的热量减少，热量损失增大。 从提高内燃机热效率的角度出发，又希望通过冷却系统散走的热尽可能少，但这必 然导致高温、热负荷增大。为均衡两方面影响，必须使内燃机在大部分工况下都能 保持在适当的温度范围内，研究表明：一般内燃机出水温度保持在 80 ℃～90 ℃时发 动机的动力性、经济性最好[4]。 综上所述，冷却系统工作的好坏不仅对柴油机的可靠性产生很大影响，而且还直 接影响到柴油机的各项工作指标，其功能是保证发动机在正常的负荷条件下和工作 环境中均能处于适合的温度状态并可靠的工作。特别是近年来，随着能源危机的不 断加剧，以及国家对 “ 节能减排 ” 的强烈呼吁，使柴油机可靠性及经济性有越来越高 的要求。由于柴油机强化程度的不断提高，其热负荷也在不断加大。因此，冷却系 统对于柴油机工作性能的影响也越来越显著，合理解决柴油机冷却和传热问题也显 得更加迫切。 气缸盖作为发动机的关键零部件，结构复杂、工作过程中热负荷很高。气缸盖 高温部位是鼻梁区(一般最高温度点是在该区域靠近喷油嘴的地方)。设计时，对上述 部位要重点冷却，使最高温度值得到控制，温度场尽可能均匀分布[5]。以此同时，气 缸盖内也分布着复杂的冷却水腔，对它布置的优劣，也直接影响着缸盖过冷、过热 的问题。因此，在不导致冷却过度的前提下，要防止因气缸盖温度过高或分布不均 匀所产生局部热应力过大等现象。通过数值模拟计算方法，综合考虑冷却液流动对 流换热、燃烧室燃气放热对缸盖的影响，模拟气缸盖在各种条件下的温度分布情况， 结合实验的对比研究，重点分析燃烧室受热严重部位的温度分布情况，为气缸盖的
发动机缸内工作过程计算
发动机工作过程数值计算作业缸内封闭过程数值计算学院：汽车学院专业：动力机械及工程******学号：****************二〇一三年五月气缸封闭过程的数值计算发动机缸内工作过程的数值计算，是以内燃机缸内各工作阶段的物理模型为基础，通过微分方程来对其各阶段工作过程进行数学描述，然后通过程序编写求解微分方程，得到缸内温度、压力等参数随曲轴转角的变化曲线。
一、基本热力学模型图1 发动机缸内热力系统在简化假设的基础上，取气缸为一个热力学系统，如图1所示。
这个热力系统包括了质量交换项，如排气 dmA ，进气 dmE，喷入气缸内瞬时燃料质量 dmB；与能量交换项，如焓变，功，燃烧放热等。
图中 T 、P 、V、 m 及 u 分别为缸内瞬时气体温度、压力、体积、燃料质量及比内能。
二、简化假设1.假定工质为理想混合气体；2.假定缸内各处温度、压力及混合气浓度均匀；3.用纯空气的气体常数代替混合气气体常数；4.假定扫气完全，即不考虑残余废气；5.不计漏气损失，并假定只有在燃烧始点才有燃油喷入气缸；6.按代用燃烧规律进行喷油，并认为着火延迟等于零；7.假定放热率为100%。
三、 基本方程1、气体状态方程 PV=mRT2、压缩期(VB ES ϕϕϕ<<) 能量方程：ϕd dT ＝v mc 1（ϕd dQ w －p ϕd dV） 质量方程：ϕd dm＝0 3、燃烧期(VE VB ϕϕϕ<<) 能量方程：ϕd dT ＝v mc 1（ϕd dQ B ＋ϕd dQ w －p ϕd dV －u ϕd dm －m λ∂∂u ϕλd d ） 质量方程：ϕϕd dm d dm B=＝ϕd dQ H B u ⋅1 4、膨胀期(AO VE ϕϕϕ<<) 能量方程：ϕd dT ＝v mc 1（ϕd dQ w －p ϕd dV） 质量方程：ϕd dm＝0 四、 其他计算公式1、气缸瞬时工作容积：)]sin 11(1cos 112[2)(22ϕλλϕεϕ⋅--+-+-=s sh V VS D V h 241π==)1(V -εεL式中：h V -气缸行程容积 V L -发动机排量ε-压缩比s λ-曲柄连杆比 S -活塞行程D -气缸直径2、气缸容积随曲轴转角变化率：]sin 1cos sin [sin 222ϕλϕϕλϕϕs s h V d dV -⋅+=3、单位曲轴转角的传热量：)(6131T T A n d dQ Wi i i w -∑==αϕ 式中：1=i -活塞2=i -气缸盖 3=i -气缸套i A -传热表面积2141D A π=；125.1A A =；DV A )(43ϕ=Wi T -传热表面平均温度K T W 5601=；K T W 5482=；K T W 5483=α-换热面平均的瞬时传热系数 利用Woschni 公式：8.00111212.00.853.0-)]([P T 130P P V P T V c c c D h m -+=-α 式中：h V -活塞行程容积1c -气体速度系数压缩、膨胀阶段 m uc c c 308.028.21+= 换气阶段 muc c c 417.018.61+=2c -燃烧室形状系数，直喷式燃烧室2c =3.24X10-3m c -活塞平均速度，计算得6.9m/s1P 、1V 、1T 分别为压缩始点的气缸压力、容积、温度。
发动机缸体温度场计算
发动机缸体温度场计算田晶（第一汽车集团公司技术中心）摘要本文应用msc.patran软件对发动机缸体3D CAD模型进行实体单元的有限元网格划分。
在通过CFD软件进行燃烧分析得到热对流系数的基础上应用msc.nastran软件稳态热传导分析模块对发动机缸体进行温度场计算，得到其温度分布规律。
一、前言发动机缸体的变形将直接影响活塞在其内的运动，如果缸体的变形过大，会造成活塞的严重磨损及拉缸现象，从而使发动机功率降低，寿命缩短。
由于气缸工作表面经常与高温燃气相接触，因此在引起缸体产生变形的诸因素中热负荷是重要影响之一。
为此，准确掌握发动机缸体热变形规律对发动机的设计开发是至关重要的。
而要得到准确的热变形就必须详细掌握其温度分布规律。
在通过CFD软件对缸套、水套和油路进行燃烧分析得到其热对流系数的基础上，本文应用msc.nastran软件的稳态热传导分析模块对发动机缸体进行温度场计算，为下一步的热变形计算提供了温度分布规律。
二、计算方法1、有限元模型划分对CA6110发动机缸体3D CAD模型进行有限元网格划分，应用msc.nastran中的MPC 卡将缸盖、缸垫和缸体连接，进行计算分析，考虑结构的对称性，只对第一、二、三缸进行网格划分计算分析。
图一为整个有限元模型示意图，包括带缸套的缸体、带气门座的缸盖、缸盖衬垫、和缸盖螺栓。
所有的构件，即：缸体、缸套、衬垫、缸盖、气门座圈、缸盖螺栓。
模型划分应用8节点的bricks单元和6节点的wedge单元。
在实体单元的基础上提取缸套（包括气门座密封圈）、进排气管、水套和油路上的面单元确定其热传导的边界条件。
应用CHBDYG卡定义边界表面条件、应用CONV卡定义对流边界条件、应用SPOINT卡及SPC卡定义边界温度、应用PCONV卡及MAT4卡定义边界性质、应用MATT4卡和TABLEM2卡定义水循环面上随温度变化的热对流系数。
前后处理采用msc.patran软件，计算采用msc.nastran软件。
380柴油机气缸套温度场的计算与分析 (1)
船 海工程 SH IP & OCEA N ENG IN EERI NG
DOI: 10. 3963/ j. issn. 1671 7953. 2009. 06. 022
V ol. 38 N o. 6 Dec. 2009
380 柴油机气缸套温度场的计算与分析
环中燃气的平均换热系
数 m 和平均温度 T m ;
= h/ S( 0
1) , k1 = 0. 537( S/ D ) 0. 24 ,
k2 = 1. 45k1 。
在活塞下止点, 活塞顶以下部分取为固定温
度, 因此处不与燃气接触, 换热量小得多, 固定温 度为 380 K。
1. 2 缸套与机架的边界条件
瞬时工作压力 p 可以从柴油机 测得的示功
图上直接读出, 而缸内工质的瞬时温度根据状态 方程计算得到。然后用数值积分法求出燃气平均
温度及平均换热系数。
当 S/ D ( 行程/ 缸径) 发生 变化时, 缸 体内表
面稳态传热边界条件相对值的分布形态才发生相
应改变, 因为当 S / D 增大时, 燃气传给活塞、缸盖
冯国增, 曾 俊
( 江苏科技大学 船舶 与海洋工程学院, 镇江 212003)
摘 要: 针对柴油机气缸套的热负荷问题, 以救生艇用 380 直喷式柴油机为研究对象, 建立气缸套温度场
的数学模型和边界条件, 使用 FL U ENT 软件 进行温 度场的计 算, 获得标准 工况下 380 柴油 机气缸套 的温 度
燃气侧、冷却水侧及机架侧采用第三类边界 条件, 缸套下部采用的是第一类边界条件。
表 1 380 柴油机的主要技术参数表
参量
数值
柴油机活塞三维温度场数值计算与分析
计算 得 到活塞 的温度 场是 一种 获得 温度 场 的重 要 的 途 径 。但是 ， 针对 具体 型号 的柴油 机 ， 还 需要计 算其
活塞 的温度场 ， 并 以此 为基础 开展 热负荷 评价 。 １ ９ 的研 究 工作 以 １ ９ ５柴 油机 活 塞 为对 象 ， 开 展额 定 工
摘
要： 针对 柴油机 活塞 的热负荷 问题 ， 以１ ９ ５柴油机为研究 对象 ， 建立 了活塞温度 场的数学模 型和边 界条件 ，
进行 了额定工况下 １ ９ ５柴油机活塞温度场 的计算 ， 获得 了温度场 的数值分布 。计算结 果表 明，活塞顶部 的热 负 荷集 中在燃烧室 ， 最 高温度为 ３ ８ ２。 Ｃ ， 位于燃烧 室中心。燃烧 室下部温度较低 ， 背离活塞 中心侧 的外边缘 的温 度 也较低 ， 同时位于燃烧室排放 口的温度 也比较低 ， 而温度较高 的区域分布 于燃 烧室偏 离活塞 中心一侧 。由此 可 见， 活塞顶部的不 同区域温度分布还是 有比较大的差 异。活塞第 １ 环槽 最高温度 为 １ ５ ０℃ ， 活塞 的热负荷 在允
１ 活塞温度场数值计算 的传热学模型
柴 油机 工作 时气缸 内气 体 的温度 与压力 都是 随 着 曲轴 转 角而变 化 的 ， 但 由 于这 种 温度 变 化 的频率 很高 ， 与发 动机 转速成 正 比 ， 并且 仅仅 在受燃 气 冲击 的活 塞表 面几毫 米 薄 层是 变 化 的 ， 温 度 变化 的振 幅 较小 。因而在柴 油 机稳 定 工 况 下 ， 活 塞 的 热传 导 可
以看做 是 准稳态 导热 。对 于额定 工况 下 的 １ ９ ５柴 油
某汽油机气缸盖循环瞬态温度场计算
某汽油机气缸盖循环瞬态温度场计算
郭立新;杨海涛;夏兴兰
【期刊名称】《现代车用动力》
【年(卷),期】2008(000)002
【摘要】以某汽油机气缸盖为研究对象,借助有限元分析软件ANSYS,计算了标定工况下气缸盖循环瞬态温度场.计算结果显示:在一个循环内,该汽油机气缸盖燃烧壁面最高温度极大值出现在压缩冲程上止点后38°曲轴转角位置,约为237℃;极小值出现在压缩冲程上止点前20°曲轴转角位置,约为230℃;不同曲轴转角,气缸盖和缸内气体之间热量交换方向有所差异;气缸盖燃烧室壁面周期性温度波动深度在2mm 以内,超过2mm温度趋于平稳.
【总页数】6页(P16-21)
【作者】郭立新;杨海涛;夏兴兰
【作者单位】无锡油泵油嘴研究所,江苏,无锡,214063;无锡油泵油嘴研究所,江苏,无锡,214063;无锡油泵油嘴研究所,江苏,无锡,214063
【正文语种】中文
【中图分类】TK411.1
【相关文献】
1.柴油机缸盖循环瞬态温度场仿真计算分析 [J], 高春林;吕建明;欧阳光耀;张萍
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3.风冷汽油机缸盖瞬态传热研究 [J], 孟青;朱立勇
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5.基于沸腾模型的汽油机缸盖温度场仿真 [J], 黄凤琴; 尹曼莉; 李相旺; 张文龙; 詹春
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发动机缸体温度场计算
作者：田晶
作者单位：中国一汽集团公司
1.期刊论文吴庆亮.郭志平.孙双.贺向新.Wu Qingliang.Guo Zhiping.Sun Shuang.He
Xiangxin新型二冲程微型摆式内燃机缸体温度场的有限元分析-小型内燃机与摩托车
2007,36(4)
在新型二冲程微型摆式内燃机(MFSPE)的设计及完善过程中,温度场分析占有重要地位.从数值计算所得的燃烧室周期温度曲线中,均匀提取32个载荷点,基于ANSYS软件按32个载荷步进行载荷施加及求解分析,得出了缸体各载荷步的温度场等效云图,并对部分有代表性的图从温度场的角度进行分析,提出了缸体改进设计的建议.
2.会议论文尹庆华.范继林.张显宜.马俊杰.蔡宇.许毅.石利军.全胜灿.逄伟铸造一厂二线
2S1002014-36D缸体压箱冷却温度场的测试2005
本文介绍了在铸造一厂二线进行2S1002014—36D缸体浇注后压箱冷却条件下测试温度场的情况,得到了现生产条件下二线生产六缸缸体的压箱冷却曲线,为质量控制提供了依据,并对冷却曲线进行了简要分析。
3.学位论文周建荣发动机缸体浇注系统的优化设计与数值模拟2009
缸体、缸盖是发动机上最重要、最大的铸件，是整个发动机生产中的难点和重点，其铸造工艺水平是决定发动机质量的基础条件。
近年来随着计算机技术的发展，计算机数值模拟技术已发展为铸造过程最具潜力的模拟预测工具，并在某些方面已经进入工业化应用阶段，成为铸造行业发展不可缺少的环节。
发动机缸体、缸盖的铸造一直是铸造行业的一个难点，将发动机缸体铸造过程通过数值模拟软件进行仿真模拟，使整个铸造过程清晰明了的表现出来，对实际生产有借鉴和指导的作用。
本文首先利用“大孔进水”理论对发动机缸体的浇注系统进行优化设计，并在初始设计方案的基础上进行改进，得到二种改进设计方案。
通过UG建立三种设计方案的三维模型，再利用Patran建立它们的有限元模型，然后在有限元铸造过程分析软件ProCAST中对三种方案的成形过程进行数值模拟，主要模拟了发动机缸体充型过程的速度场与温度场、凝固过程的温度场，以及对可能产生缩孔缩松等缺陷的区域进行预测。
完成模拟后，本文对三种浇注系统设计方案的充型、凝固过程及缩孔缩松等缺陷的预测进行了对比分析，从模拟结果中得出方案三在充型时较为平稳，凝固时温度分布均匀，温度梯度较小，凝固速度也比前二种方案的要快，可能产生缩孔缩松等缺陷的范围小。
由此得出方案三浇注系统的设计较为优越，可以提高铸件的质量，降低废品率，指导实际生产，降低发动机缸体的生产成本。
4.期刊论文周兰欣.王孟.毕仲波.丁俊其125 MW汽轮机低压缸体温度场计算-华北电力大学
学报2001,28(3)
研究汽轮机压缸体温度场计算问题。
分析汽轮机压缸的运行时的工况特点，计算蒸汽对缸体壁的放热系数，采用轴对称有限元模型分析计算某125MW汽轮机低压内缸的温度场。
采用发电厂实际启、停曲线、计算得到了各种运行工况下，该汽轮机低压内缸体温度场分布的特征和规律。
5.期刊论文周建荣.李辉.李志强.纵荣荣.时建松.Zhou Jianrong.Li Hui.Li Zhiqiang.
Zong Rongrong.Shi diansong基于数值模拟的汽缸体浇注系统的设计与优化-特种铸造及有
色合金2009,29(5)
针对发动机缸体铸件,利用大孔进水理论对浇注系统进行了设计;并通过数值模拟浇注过程的速度场和凝固初始的温度场,从而对其浇注系统进行优化,通过减少卷入性气孔、冲砂等缺陷及降低热应力等措施,有效地提高了铸件品质.
6.期刊论文孙林.苏勇.王东岭.刘伟.梁国萍基于数值模拟的缸体压铸浇注系统位置选择-
特种铸造及有色合金2010,30(1)
为了对铝合金发动机缸体选择最佳的浇注系统和工艺参数,利用ProCAST软件对汽缸体的压铸过程进行了模拟.通过对两个不同浇注位置的压铸过程的流场和温度场进行模拟分析,从中选择了一个较合适的浇注位置,为模具的设计和工艺参数的确定提供了依据.
7.期刊论文卫星.Wei Xing柴油机缸体铸造凝固过程温度场仿真-柴油机设计与制造
2008,15(3)
利用Pro/E软件进行三维建模、通过仿真软件,对缸体零件铸造过程温度场进行计算机仿真.通过数据分析,初步判断铸造缺陷形式,并提出工艺优化方案.
8.学位论文唐瑞波灰铸铁汽缸体铸造应力数值模拟2000
该论文采用基于有限差分法(FDM,Finite Difference Method)的凝固模拟程序计算出铸件的温度场,再利用基于有限元法(FEM,Finite Element Method)的通用分析软件ANSYS,采用热弹塑性模型对铸件凝固后的应力形成过程进行了模拟.对温度场模拟计算程序作了补充.在不太增加计算量的条件下,实现了材料的热物性参数随温度变化而变化,提高了模拟的精度.铸件落砂后直接在空气中冷却,结合铸件/大气边界传热特点,同时考虑对流和辐射换热,编写了铸件落砂后的温度场计算程序,使凝固模拟计算程序更完善,使用范围更加广泛.利用FDM/FEM联合分析的方法,在有限差分模型和有限元模型分别建立的情况下,编写了利用插值函数实现温度场从FD到FE模型的转换接口程序,实现了温度载荷的正确传递.把共析相变膨胀的体积变化转化为温度相联系的热膨胀系数的变化,从而计入分析相变对残余应力的影响.把砂型和铸件作为整体系统进行应力计算,通过控制砂型的温度载荷来控制砂型的强度,加入了砂型的阻碍对铸件应力的影响.
9.期刊论文郭志平.林吉靓.田野.张志功.Guo Zhiping.Lin Jijing.Tian Ye.Zhang Zhigong
微型摆式内燃机的温度场分析及散热设计-小型内燃机与摩托车2009,38(1)
基于温度场分析对微型摆式内燃机(MFPSE)设计及完善的重要性,根据其工作特点对微型摆式内燃机的缸体进行了温度场分析,发现缸体的温度过热,导致了整机的热负荷增大,因此,设计了散热系统,对加装了散热系统后的缸体进行温度场分析,证明其缸体温度在微型摆式内燃机的正常工作范围之内.
10.期刊论文朱慧.黄天佑.康进武.ZHU Hui.HUANG Tian-you.KANG Jin-wu两种不同约束条
件下发动机缸体铸件热应力场的数值模拟-铸造2006,55(6)
采用FDM/FEM集成热应力分析系统(其中采用铸造之星FT-STAR进行温度场计算,ANSYS进行热应力场计算,采用FT-STRESS进行有限差分网格向有限元网格转换和有限差分/有限元温度载荷转换),对某厂柴油机发动机缸体铸件进行从浇注到冷却至室温全过程的温度场、热应力场数值模拟,得到冷却变形情况及残余应力分布,并研究比较了将气缸处砂芯考虑为部分刚性,和将砂芯考虑为完全退让性的两种不同约束模拟方案对计算结果的影响.前者应力值和变形值远远大于后者的结果.
本文链接：/Conference_3413094.aspx
下载时间：2010年5月14日。