學科發(fā)展傳熱與熱負荷數(shù)值仿真課件

熱科學之----

內(nèi)燃機的傳熱與熱負荷

及其數(shù)值仿真錢作勤1本課程的學習要求和考核方式：要求：1）做好課堂筆記和課后讀書筆記；

2）每兩次課根據(jù)主講教師的授課內(nèi)容，通過查閱資料等獨立完成1份600-800

字的閱讀報告，并于次周按班收齊交指導員。選題可結(jié)合課堂內(nèi)容自主設定；

3）課程結(jié)束后獨立完成1份總報告，要求字數(shù)不少于1000字，報告的書寫應包含有標題、摘要、關鍵詞、主題內(nèi)容、參考資料，并于

15周按班收齊交輔導員?？己耍浩綍r表現(xiàn)成績占20%，平時撰寫相關課題的報告成績占40％，期末總報告成績占40%。冰箱(機械能熱能)飛機(熱能機械能)

汽車(熱能機械能)熱電廠(熱能機械能)

熱科學的研究內(nèi)容及其在科學技術和工程中的應用特別是在下列技術領域大量存在傳熱與熱分析問題動力、化工、制冷、建筑、機械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、微機電系統(tǒng)（MEMS）、新材料、軍事科學與技術、生命科學與生物技術…熱科學析在生產(chǎn)技術等眾多領域中的應用十分廣泛：在幾個特殊領域中也有許多應用：a航空航天：高溫葉片氣膜冷卻與發(fā)汗冷卻；火箭推力室的再生冷卻與發(fā)汗冷卻；衛(wèi)星與空間站熱控制；空間飛行器重返大氣層冷卻；超高音速飛行器（Ma=10）冷卻；核熱火箭、電火箭；微型火箭（電火箭、化學火箭）；太陽能高空無人飛機南極大陸常年被冰雪覆蓋，僅有2%的面積未被冰雪覆蓋。平均厚度為2450米，最厚的地方4750米。地球上的90％的冰雪集中在南極，72％的淡水儲存在南極。

目前世界上兩大研究熱點是什么?

節(jié)能內(nèi)燃機

環(huán)保

原因:石油1.什么是內(nèi)燃機

?

內(nèi)燃機的用途?3.內(nèi)燃機靠什么動起來?不可再生能源:石油、煤等可再生能源:酒精、木材等代用燃料：酒精、天然氣、液化氣、二甲醚等雙燃料（兩者混合）內(nèi)燃機燃料的燃燒化學能熱能熱能機械能對外做功燃燒熱量的傳遞（傳熱）熱能轉(zhuǎn)化為機械能（機械零件的熱負荷）

自壓縮過程的末期燃料噴人氣缸，直到排氣門開啟，燃燒產(chǎn)物自氣缸中排出的整個燃燒、膨脹時期，燃料在氣缸內(nèi)經(jīng)歷著極為復雜的物理化學變化過程。著火與燃燒過程DiffusionFlame(2700K)ColdFuel(350K)WarmAir(950K)RichFuel/AirMix=4(825K)ProductsofRichCombustionCO,UHC,&Particles(~1600K)NOxCO2andH2O混合氣形成著火燃燒產(chǎn)物滯燃期物理延遲化學延遲燃油噴霧燃燒燃油的先期氧化反應燃料空氣混合物的氧化完全燃燒產(chǎn)物：CO2、H2O、SO2等燃料熱分解局部著火油粒與空氣混合

不完全燃燒（溫度過低或混合物過稀過濃）燃油蒸發(fā)燃油蒸氣與空氣混合完全燃燒（溫度、氧濃度合適）不完全燃燒產(chǎn)物：CO、碳煙、HC、燃料蒸氣等不完全氧化和熱分解生成物與空氣的混合空間油膜

柴油機燃燒過程中物理-化學變化概況2）可燃混合氣必須加熱到某一臨界溫度，低于這一溫度，燃料就不能著火。

把燃料不用外部點燃而能自己著火的最低溫度稱為著火溫度或自燃溫度。對于不同的燃料，其自燃性能是不同的。著火溫度在一定程度上反映燃料的自燃性能，但并不是燃料本身所固有的物理常數(shù)，它與介質(zhì)壓力、加熱條件及測試方法等因素有關。著火需要具備兩個條件：1）在形成的可燃混合氣中，燃料蒸氣與空氣的比例要在一定的范圍內(nèi)，這個范圍稱作著火范圍（或著火界限）。由于混合氣過濃，氧分子少；過稀，則燃料分子少，這兩種情況的氧化反應速度都不夠，因此混合氣過濃或過稀均超出著火界限，不能著火。著火界限不是一成不變的，隨著溫度的升高，分子運動速度增加，反應速度加快，將使著火界限擴大。

內(nèi)燃機的傳熱和熱負荷及分析：

*什么是傳熱和熱負荷*柴油機中的熱負荷狀況*熱負荷對柴油機的損壞*研究熱負荷的方法（數(shù)值仿真和實驗測量）一、傳熱與熱負荷(及溫度場)（一）什么是傳熱？

傳熱就是熱量的傳遞，熱量可自發(fā)地由高溫物體向低溫物體傳遞。

熱傳遞有三種基本方式：導熱、熱對流和熱輻射。

（二）內(nèi)燃機（柴油機）的傳熱主要包括三個方面：1。缸內(nèi)氣體與燃燒室壁面之間的對流換熱和輻射換熱；2。燃燒室各部件的導熱；3。缸壁外側(cè)和冷卻介質(zhì)（水）之間的對流換熱。A.缸內(nèi)傳熱

柴油機缸內(nèi)傳熱研究對提高發(fā)動機熱效率、降低有害氣體和顆粒排放，進行受熱零部件熱負荷和熱強度計算，以及活塞燃燒室形狀和優(yōu)化冷卻水和潤滑系統(tǒng)設計都具有重要意義。柴油機缸內(nèi)的傳熱過程是一個復雜的過程，對流換熱、熱輻射同時共存且又處于有燃燒的瞬變過程中，其中一些細節(jié)人們至今尚未完全掌握，對柴油機缸內(nèi)傳熱這樣一個復雜的過程進行完整的理論描述是非常困難的。目前在我們的實際應用過程中，根據(jù)你所研究的實際機型，選用合適的經(jīng)驗公式并與實驗結(jié)果相比較，交互驗證，最終修正并確定你的傳熱模型。經(jīng)驗公式有很多，現(xiàn)在在柴油機的分析中用的較多的是Eichelberg公式：

α=k(Cm)1/3(PTg)1/2

式中：k—系數(shù)Cm—活塞平均速度P—氣體壓力Tg—氣體溫度B.燃燒室各部件的導熱

在柴油機中，導熱發(fā)生在存在著溫差的各零部（活塞、缸套及缸蓋等）的內(nèi)部和相互接觸的零部件等之間。導熱問題的理論分析比較成熟，根據(jù)付里葉定律和能量守恒定律可推導出固體導熱偏微分方程。對上方程的求解非常麻煩和困難，只有用數(shù)值仿真方法進行求解。（用大型有限元分析軟件）

C.缸壁外側(cè)和冷卻介質(zhì)之間的對流換熱

流體與固體壁面直接接觸，所發(fā)生的熱量傳遞稱為對流換熱。按經(jīng)典的牛頓冷卻公式可知：q=α(tw-tf)，在這個公式中關鍵的物理量是換熱系數(shù)，但它只不過給出了換熱系數(shù)的定義式，而沒有揭示出換熱系數(shù)與有關影響它的物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系。而實質(zhì)上影響換熱系數(shù)的因素有很多。流動形式（是自然對流還是強迫對流）、流體有無相變（沸騰、凝結(jié)）、流態(tài)的形式（層流、紊流）、參與換熱的壁面狀態(tài)（固體表面的尺寸、形狀、粗糙度）流動物理性質(zhì)（密度、動力粘度、導熱系數(shù)等）、流動的速度等等，這些都影響著換熱系數(shù)的大小。因此，求解缸壁外側(cè)和冷卻水之間的換熱系數(shù)是非常復雜的。在能查詢到的文獻中在這方面的報道很少，迄今為止，對于冷卻水一側(cè)換熱系數(shù)的局部分布情況，尚無系統(tǒng)的研究。在國內(nèi)外發(fā)表的文獻和有關書籍中，通常是給出的在一定條件下的經(jīng)驗公式和換熱系數(shù)平均值的范圍。目前在我們的實際應用過程中，根據(jù)你研究的機型，選擇準則公式進行簡算，并選擇經(jīng)驗平均值范圍，再與實驗結(jié)果相比較交互驗證，最終確定。（三）什么是熱負荷？

熱負荷通常應從兩個方面來理解：一是受熱零部件由于溫度過高或過低，而失去工作能力；二是受熱零部件由于溫度梯度過大而產(chǎn)生大的熱應力、熱疲勞而遭受破壞。柴油機是燃料在機器內(nèi)部燃燒而將能量釋放做功的一種熱能動力機械。通常認為：燃料中的總熱量約有35%—45%轉(zhuǎn)化為有效功，25%—45%隨廢氣排出，6%—9%由潤滑油帶走，15%—22%由冷卻水帶走，其余為輻射等其它熱損失。（四）熱負荷故障

在柴油機中構(gòu)成燃燒室的零部件（活塞、缸套及缸蓋等）承受著最為嚴酷的熱負荷，最容易發(fā)生熱負荷故障。由于熱負荷的影響，受熱零件的非正常磨損，材料的腐蝕燒蝕和熱疲勞破壞等故障屢見不鮮，直接或間接地影響著柴油機的動力性、經(jīng)濟性和可靠性。柴油機受熱零部件常見的熱負荷故障有：活塞的熱疲勞裂紋、活塞的燒蝕燒頂以及變形、拉缸，缸套的熱疲勞裂紋以及變形、拉缸，缸蓋鼻梁區(qū)的熱裂紋，氣門座合面的燒傷和斷裂及挺桿的斷裂等等。（五）什么是溫度場？

溫度場就是受熱零部件的溫度分布。它是熱負荷的象征，溫度場可以讓人直觀地總覽零部件的溫度分布及其熱流分配情況，以便為熱負荷的改善指出途徑或找到解決的方法。并且根據(jù)溫度場可以求出熱流密度、熱應力、熱變形以及各點的溫度，從而能全面地評定該受熱零部件的熱負荷程度。（特征點溫度是否超過極限熱流分布是否合理等。）二、柴油機主要受熱零部件的熱負荷狀況柴油機在工作時，燃燒室內(nèi)燃氣的最高瞬時溫度一般都高達1600—2000度，燃氣平均溫度也高達600—1000度左右。并且隨著柴油機不斷向強化方向發(fā)展，熱負荷問題會越來越嚴酷。1。活塞的熱負荷狀況活塞是柴油機上最關鍵的運動件，活塞工作時直接受到高溫、高壓的燃氣作用，承受著嚴酷的熱負荷。評定活塞的熱狀態(tài)首先是活塞頂?shù)淖罡邷囟?，一般鋁合金活塞頂最高溫度高達260—370度左右。2。氣缸套的熱負荷狀況評定氣缸套熱負荷的標志是缸套內(nèi)壁的溫度及周向溫度分布是否均勻缸套的內(nèi)壁溫度明顯地影響著活塞組的潤滑和磨損。缸套的最高溫度在缸套內(nèi)壁上部。通常認為缸套內(nèi)壁的溫度應在100—260之間。3。氣缸蓋的熱負荷狀況氣缸蓋和活塞頂一樣，直接與燃氣相接觸，且傳給冷卻水全部熱量的50%是通過氣缸蓋傳出的故其熱負荷也是很高的。氣缸蓋最高溫度處總是在受燃氣沖擊影響最大的區(qū)域，一般最高溫度在噴嘴和進、排氣門座之間的區(qū)域。最高溫度通常小于380度。4。排氣門的熱負荷狀況排氣門承受著很高的熱負荷，其溫度取決于燃燒室的形狀。頭部的溫度一般在500度—800度范圍，在強化機上可達900度。三、柴油機主要受熱零部件正常工作的溫度約束一般認為鋁合金材料當溫度達到300—350度左右時，鋁合金的材料強度要大幅度下降，在375度左右達到其材料允許極限，溫度達到380—400度以上就不能保證繼續(xù)可靠的運轉(zhuǎn)。合金鑄鐵材料一般應在375度范圍以內(nèi)工作，超過此溫度則鑄鐵材料的抗蠕變性能下降，易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。潤滑油在溫度超過220度以上，易引起潤滑油變質(zhì)結(jié)碳、膠結(jié)。因此，活塞各部位的溫度不應超過下列極限數(shù)值：活塞頂<375度

第一環(huán)槽<220度

活塞頂內(nèi)表面<250度

活塞銷座<180度缸套各部位的溫度不應超過下列極限數(shù)值：缸套內(nèi)壁對應活塞上止點第一環(huán)附近的溫度<220度100度<缸套內(nèi)壁其它位置的溫度<260度缸蓋各部位的溫度不應超過下列極限數(shù)值：缸蓋最高溫度區(qū)域<375度四、柴油機溫度場數(shù)值仿真的基本原理和方法1。溫度場數(shù)值仿真的基本原理在柴油機燃燒室組件中，存在著大量的熱能轉(zhuǎn)換和熱量傳遞。應用傳熱學理論來進行分析，可求得燃燒室組件（活塞、缸套、缸蓋等）的溫度場。根據(jù)付里葉定律和能量守恒定律可推導出固體導熱偏微分方程：式中：ρ—密度；t—時間；Cp--比熱容；qv—內(nèi)熱源強度;λ—導熱系數(shù)；

T--溫度；X,Y,Z---直角坐標

求解熱傳導方程的三類邊界條件：第一類邊界條件：給出邊界上的函數(shù)，即給出邊界上的溫度；第二類邊界條件：給出邊界上的導函數(shù)值，即給熱流密度；第三類邊界條件：給出邊界的函數(shù)與導函數(shù)之間的關系式，即給定流體介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)。對求解熱分析的瞬態(tài)問題還要知道初始條件，即給出系統(tǒng)的初始溫度分布。同時，還要知道所求物體的材料常數(shù)（密度、導熱系數(shù)及比熱等）。對上述偏微分方程，歸結(jié)為在給定邊界條件和初始條件下（瞬態(tài)問題）求解微分方程的問題。但是，顯然對于柴油機受熱零部件的熱傳導問題，由于物體的幾何形狀、邊界條件復雜，以及問題的某些特征是非線性的，因此不可能求得理論解析解?，F(xiàn)在人們在廣泛吸收現(xiàn)代數(shù)學、力學理論的基礎上并借助于現(xiàn)代科學技術的產(chǎn)物——計算機來獲得滿足工程要求的數(shù)值解。

2。數(shù)值仿真研究的方法近幾十年來，人們在對柴油機進行受熱零部件溫度場的數(shù)值仿真研究中，采用的數(shù)值計算方法主要有：有限差分法、有限單元法、邊界元法、有限體積法等。到目前為止應用最為廣泛的是有限單元法，特別是計算機技術的飛速發(fā)展和廣泛應用，更使得有限單元法在內(nèi)燃機工程中的應用得到了迅猛的發(fā)展。有限單元法的求解：利用加權余量法由導熱偏微分方程及定解條件導出變分原理，再求得微分方程

然后，將計算區(qū)域離散，確定單元類型、溫度插值函數(shù)，劃分單元對泛函求極值，最終得到整體合成的有限元方程：有限元理論及其應用已經(jīng)很成熟。為了把科技工作者從復雜、繁重的數(shù)值計算和編寫計算程序等勞動中解放出來，讓他們專心致志地把精力和智慧用在模型的建立和邊界條件的處理上，很多公司和研究機構(gòu)推出了許多工程上應用的數(shù)值分析計算軟件。目前，我們學校許多院系都使用的是：大型有限元計算分析軟件ANSYS。五、ANSYS軟件在求解柴油機零部件溫度場的應用

ANSYS軟件應用實例：

180活塞二維軸對稱模型穩(wěn)態(tài)溫度場180活塞三維軸對稱模型穩(wěn)態(tài)溫度場三維結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)循環(huán)瞬態(tài)溫度場動畫演示軸對稱活塞熱變形動畫演示二維結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)循環(huán)瞬態(tài)溫度場動畫演示六、柴油機受熱零部件的溫度測量方法

在柴油機熱負荷的研究中，用實驗