学科发展传热与热负荷数值仿真课件

热科学之----

内燃机的传热与热负荷

及其数值仿真钱作勤1本课程的学习要求和考核方式：要求：1）做好课堂笔记和课后读书笔记；

2）每两次课根据主讲教师的授课内容，通过查阅资料等独立完成1份600-800

字的阅读报告，并于次周按班收齐交指导员。选题可结合课堂内容自主设定；

3）课程结束后独立完成1份总报告，要求字数不少于1000字，报告的书写应包含有标题、摘要、关键词、主题内容、参考资料，并于

15周按班收齐交辅导员。考核：平时表现成绩占20%，平时撰写相关课题的报告成绩占40％，期末总报告成绩占40%。冰箱(机械能热能)飞机(热能机械能)

汽车(热能机械能)热电厂(热能机械能)

热科学的研究内容及其在科学技术和工程中的应用特别是在下列技术领域大量存在传热与热分析问题动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术…热科学析在生产技术等众多领域中的应用十分广泛：在几个特殊领域中也有许多应用：a航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器（Ma=10）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机南极大陆常年被冰雪覆盖，仅有2%的面积未被冰雪覆盖。平均厚度为2450米，最厚的地方4750米。地球上的90％的冰雪集中在南极，72％的淡水储存在南极。

目前世界上两大研究热点是什么?

节能内燃机

环保

原因:石油1.什么是内燃机

?

内燃机的用途?3.内燃机靠什么动起来?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、天然气、液化气、二甲醚等双燃料（两者混合）内燃机燃料的燃烧化学能热能热能机械能对外做功燃烧热量的传递（传热）热能转化为机械能（机械零件的热负荷）

自压缩过程的末期燃料喷人气缸，直到排气门开启，燃烧产物自气缸中排出的整个燃烧、膨胀时期，燃料在气缸内经历着极为复杂的物理化学变化过程。着火与燃烧过程DiffusionFlame(2700K)ColdFuel(350K)WarmAir(950K)RichFuel/AirMix=4(825K)ProductsofRichCombustionCO,UHC,&Particles(~1600K)NOxCO2andH2O混合气形成着火燃烧产物滞燃期物理延迟化学延迟燃油喷雾燃烧燃油的先期氧化反应燃料空气混合物的氧化完全燃烧产物：CO2、H2O、SO2等燃料热分解局部着火油粒与空气混合

不完全燃烧（温度过低或混合物过稀过浓）燃油蒸发燃油蒸气与空气混合完全燃烧（温度、氧浓度合适）不完全燃烧产物：CO、碳烟、HC、燃料蒸气等不完全氧化和热分解生成物与空气的混合空间油膜

柴油机燃烧过程中物理-化学变化概况2）可燃混合气必须加热到某一临界温度，低于这一温度，燃料就不能着火。

把燃料不用外部点燃而能自己着火的最低温度称为着火温度或自燃温度。对于不同的燃料，其自燃性能是不同的。着火温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数，它与介质压力、加热条件及测试方法等因素有关。着火需要具备两个条件：1）在形成的可燃混合气中，燃料蒸气与空气的比例要在一定的范围内，这个范围称作着火范围（或着火界限）。由于混合气过浓，氧分子少；过稀，则燃料分子少，这两种情况的氧化反应速度都不够，因此混合气过浓或过稀均超出着火界限，不能着火。着火界限不是一成不变的，随着温度的升高，分子运动速度增加，反应速度加快，将使着火界限扩大。

内燃机的传热和热负荷及分析：

*什么是传热和热负荷*柴油机中的热负荷状况*热负荷对柴油机的损坏*研究热负荷的方法（数值仿真和实验测量）一、传热与热负荷(及温度场)（一）什么是传热？

传热就是热量的传递，热量可自发地由高温物体向低温物体传递。

热传递有三种基本方式：导热、热对流和热辐射。

（二）内燃机（柴油机）的传热主要包括三个方面：1。缸内气体与燃烧室壁面之间的对流换热和辐射换热；2。燃烧室各部件的导热；3。缸壁外侧和冷却介质（水）之间的对流换热。A.缸内传热

柴油机缸内传热研究对提高发动机热效率、降低有害气体和颗粒排放，进行受热零部件热负荷和热强度计算，以及活塞燃烧室形状和优化冷却水和润滑系统设计都具有重要意义。柴油机缸内的传热过程是一个复杂的过程，对流换热、热辐射同时共存且又处于有燃烧的瞬变过程中，其中一些细节人们至今尚未完全掌握，对柴油机缸内传热这样一个复杂的过程进行完整的理论描述是非常困难的。目前在我们的实际应用过程中，根据你所研究的实际机型，选用合适的经验公式并与实验结果相比较，交互验证，最终修正并确定你的传热模型。经验公式有很多，现在在柴油机的分析中用的较多的是Eichelberg公式：

α=k(Cm)1/3(PTg)1/2

式中：k—系数Cm—活塞平均速度P—气体压力Tg—气体温度B.燃烧室各部件的导热

在柴油机中，导热发生在存在着温差的各零部（活塞、缸套及缸盖等）的内部和相互接触的零部件等之间。导热问题的理论分析比较成熟，根据付里叶定律和能量守恒定律可推导出固体导热偏微分方程。对上方程的求解非常麻烦和困难，只有用数值仿真方法进行求解。（用大型有限元分析软件）

C.缸壁外侧和冷却介质之间的对流换热

流体与固体壁面直接接触，所发生的热量传递称为对流换热。按经典的牛顿冷却公式可知：q=α(tw-tf)，在这个公式中关键的物理量是换热系数，但它只不过给出了换热系数的定义式，而没有揭示出换热系数与有关影响它的物理量之间的内在联系。而实质上影响换热系数的因素有很多。流动形式（是自然对流还是强迫对流）、流体有无相变（沸腾、凝结）、流态的形式（层流、紊流）、参与换热的壁面状态（固体表面的尺寸、形状、粗糙度）流动物理性质（密度、动力粘度、导热系数等）、流动的速度等等，这些都影响着换热系数的大小。因此，求解缸壁外侧和冷却水之间的换热系数是非常复杂的。在能查询到的文献中在这方面的报道很少，迄今为止，对于冷却水一侧换热系数的局部分布情况，尚无系统的研究。在国内外发表的文献和有关书籍中，通常是给出的在一定条件下的经验公式和换热系数平均值的范围。目前在我们的实际应用过程中，根据你研究的机型，选择准则公式进行简算，并选择经验平均值范围，再与实验结果相比较交互验证，最终确定。（三）什么是热负荷？

热负荷通常应从两个方面来理解：一是受热零部件由于温度过高或过低，而失去工作能力；二是受热零部件由于温度梯度过大而产生大的热应力、热疲劳而遭受破坏。柴油机是燃料在机器内部燃烧而将能量释放做功的一种热能动力机械。通常认为：燃料中的总热量约有35%—45%转化为有效功，25%—45%随废气排出，6%—9%由润滑油带走，15%—22%由冷却水带走，其余为辐射等其它热损失。（四）热负荷故障

在柴油机中构成燃烧室的零部件（活塞、缸套及缸盖等）承受着最为严酷的热负荷，最容易发生热负荷故障。由于热负荷的影响，受热零件的非正常磨损，材料的腐蚀烧蚀和热疲劳破坏等故障屡见不鲜，直接或间接地影响着柴油机的动力性、经济性和可靠性。柴油机受热零部件常见的热负荷故障有：活塞的热疲劳裂纹、活塞的烧蚀烧顶以及变形、拉缸，缸套的热疲劳裂纹以及变形、拉缸，缸盖鼻梁区的热裂纹，气门座合面的烧伤和断裂及挺杆的断裂等等。（五）什么是温度场？

温度场就是受热零部件的温度分布。它是热负荷的象征，温度场可以让人直观地总览零部件的温度分布及其热流分配情况，以便为热负荷的改善指出途径或找到解决的方法。并且根据温度场可以求出热流密度、热应力、热变形以及各点的温度，从而能全面地评定该受热零部件的热负荷程度。（特征点温度是否超过极限热流分布是否合理等。）二、柴油机主要受热零部件的热负荷状况柴油机在工作时，燃烧室内燃气的最高瞬时温度一般都高达1600—2000度，燃气平均温度也高达600—1000度左右。并且随着柴油机不断向强化方向发展，热负荷问题会越来越严酷。1。活塞的热负荷状况活塞是柴油机上最关键的运动件，活塞工作时直接受到高温、高压的燃气作用，承受着严酷的热负荷。评定活塞的热状态首先是活塞顶的最高温度，一般铝合金活塞顶最高温度高达260—370度左右。2。气缸套的热负荷状况评定气缸套热负荷的标志是缸套内壁的温度及周向温度分布是否均匀缸套的内壁温度明显地影响着活塞组的润滑和磨损。缸套的最高温度在缸套内壁上部。通常认为缸套内壁的温度应在100—260之间。3。气缸盖的热负荷状况气缸盖和活塞顶一样，直接与燃气相接触，且传给冷却水全部热量的50%是通过气缸盖传出的故其热负荷也是很高的。气缸盖最高温度处总是在受燃气冲击影响最大的区域，一般最高温度在喷嘴和进、排气门座之间的区域。最高温度通常小于380度。4。排气门的热负荷状况排气门承受着很高的热负荷，其温度取决于燃烧室的形状。头部的温度一般在500度—800度范围，在强化机上可达900度。三、柴油机主要受热零部件正常工作的温度约束一般认为铝合金材料当温度达到300—350度左右时，铝合金的材料强度要大幅度下降，在375度左右达到其材料允许极限，温度达到380—400度以上就不能保证继续可靠的运转。合金铸铁材料一般应在375度范围以内工作，超过此温度则铸铁材料的抗蠕变性能下降，易产生热疲劳裂纹。润滑油在温度超过220度以上，易引起润滑油变质结碳、胶结。因此，活塞各部位的温度不应超过下列极限数值：活塞顶<375度

第一环槽<220度

活塞顶内表面<250度

活塞销座<180度缸套各部位的温度不应超过下列极限数值：缸套内壁对应活塞上止点第一环附近的温度<220度100度<缸套内壁其它位置的温度<260度缸盖各部位的温度不应超过下列极限数值：缸盖最高温度区域<375度四、柴油机温度场数值仿真的基本原理和方法1。温度场数值仿真的基本原理在柴油机燃烧室组件中，存在着大量的热能转换和热量传递。应用传热学理论来进行分析，可求得燃烧室组件（活塞、缸套、缸盖等）的温度场。根据付里叶定律和能量守恒定律可推导出固体导热偏微分方程：式中：ρ—密度；t—时间；Cp--比热容；qv—内热源强度;λ—导热系数；

T--温度；X,Y,Z---直角坐标

求解热传导方程的三类边界条件：第一类边界条件：给出边界上的函数，即给出边界上的温度；第二类边界条件：给出边界上的导函数值，即给热流密度；第三类边界条件：给出边界的函数与导函数之间的关系式，即给定流体介质的温度和换热系数。对求解热分析的瞬态问题还要知道初始条件，即给出系统的初始温度分布。同时，还要知道所求物体的材料常数（密度、导热系数及比热等）。对上述偏微分方程，归结为在给定边界条件和初始条件下（瞬态问题）求解微分方程的问题。但是，显然对于柴油机受热零部件的热传导问题，由于物体的几何形状、边界条件复杂，以及问题的某些特征是非线性的，因此不可能求得理论解析解。现在人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上并借助于现代科学技术的产物——计算机来获得满足工程要求的数值解。

2。数值仿真研究的方法近几十年来，人们在对柴油机进行受热零部件温度场的数值仿真研究中，采用的数值计算方法主要有：有限差分法、有限单元法、边界元法、有限体积法等。到目前为止应用最为广泛的是有限单元法，特别是计算机技术的飞速发展和广泛应用，更使得有限单元法在内燃机工程中的应用得到了迅猛的发展。有限单元法的求解：利用加权余量法由导热偏微分方程及定解条件导出变分原理，再求得微分方程

然后，将计算区域离散，确定单元类型、温度插值函数，划分单元对泛函求极值，最终得到整体合成的有限元方程：有限元理论及其应用已经很成熟。为了把科技工作者从复杂、繁重的数值计算和编写计算程序等劳动中解放出来，让他们专心致志地把精力和智慧用在模型的建立和边界条件的处理上，很多公司和研究机构推出了许多工程上应用的数值分析计算软件。目前，我们学校许多院系都使用的是：大型有限元计算分析软件ANSYS。五、ANSYS软件在求解柴油机零部件温度场的应用

ANSYS软件应用实例：

180活塞二维轴对称模型稳态温度场180活塞三维轴对称模型稳态温度场三维结构耦合系统循环瞬态温度场动画演示轴对称活塞热变形动画演示二维结构耦合系统循环瞬态温度场动画演示六、柴油机受热零部件的温度测量方法

在柴油机热负荷的研究中，用实验