學(xué)科發(fā)展傳熱與熱負(fù)荷數(shù)值仿真課件

熱科學(xué)之----

內(nèi)燃機(jī)的傳熱與熱負(fù)荷

及其數(shù)值仿真錢(qián)作勤1本課程的學(xué)習(xí)要求和考核方式：要求：1）做好課堂筆記和課后讀書(shū)筆記；

2）每?jī)纱握n根據(jù)主講教師的授課內(nèi)容，通過(guò)查閱資料等獨(dú)立完成1份600-800

字的閱讀報(bào)告，并于次周按班收齊交指導(dǎo)員。選題可結(jié)合課堂內(nèi)容自主設(shè)定；

3）課程結(jié)束后獨(dú)立完成1份總報(bào)告，要求字?jǐn)?shù)不少于1000字，報(bào)告的書(shū)寫(xiě)應(yīng)包含有標(biāo)題、摘要、關(guān)鍵詞、主題內(nèi)容、參考資料，并于

15周按班收齊交輔導(dǎo)員?？己耍浩綍r(shí)表現(xiàn)成績(jī)占20%，平時(shí)撰寫(xiě)相關(guān)課題的報(bào)告成績(jī)占40％，期末總報(bào)告成績(jī)占40%。冰箱(機(jī)械能熱能)飛機(jī)(熱能機(jī)械能)

汽車(chē)(熱能機(jī)械能)熱電廠(熱能機(jī)械能)

熱科學(xué)的研究?jī)?nèi)容及其在科學(xué)技術(shù)和工程中的應(yīng)用特別是在下列技術(shù)領(lǐng)域大量存在傳熱與熱分析問(wèn)題動(dòng)力、化工、制冷、建筑、機(jī)械制造、新能源、微電子、核能、航空航天、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、新材料、軍事科學(xué)與技術(shù)、生命科學(xué)與生物技術(shù)…熱科學(xué)析在生產(chǎn)技術(shù)等眾多領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛：在幾個(gè)特殊領(lǐng)域中也有許多應(yīng)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(xué)火箭）；太陽(yáng)能高空無(wú)人飛機(jī)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(chǔ)存在南極。

目前世界上兩大研究熱點(diǎn)是什么?

節(jié)能內(nèi)燃機(jī)

環(huán)保

原因:石油1.什么是內(nèi)燃機(jī)

?

內(nèi)燃機(jī)的用途?3.內(nèi)燃機(jī)靠什么動(dòng)起來(lái)?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(jī)燃料的燃燒化學(xué)能熱能熱能機(jī)械能對(duì)外做功燃燒熱量的傳遞（傳熱）熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能（機(jī)械零件的熱負(fù)荷）

自壓縮過(guò)程的末期燃料噴人氣缸，直到排氣門(mén)開(kāi)啟，燃燒產(chǎn)物自氣缸中排出的整個(gè)燃燒、膨脹時(shí)期，燃料在氣缸內(nèi)經(jīng)歷著極為復(fù)雜的物理化學(xué)變化過(guò)程。著火與燃燒過(guò)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(xué)延遲燃油噴霧燃燒燃油的先期氧化反應(yīng)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(guò)低或混合物過(guò)稀過(guò)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(jī)燃燒過(guò)程中物理-化學(xué)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(diǎn)燃而能自己著火的最低溫度稱(chēng)為著火溫度或自燃溫度。對(duì)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(cè)試方法等因素有關(guān)。著火需要具備兩個(gè)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(gè)范圍稱(chēng)作著火范圍（或著火界限）。由于混合氣過(guò)濃，氧分子少；過(guò)稀，則燃料分子少，這兩種情況的氧化反應(yīng)速度都不夠，因此混合氣過(guò)濃或過(guò)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(yùn)動(dòng)速度增加，反應(yīng)速度加快，將使著火界限擴(kuò)大。

內(nèi)燃機(jī)的傳熱和熱負(fù)荷及分析：

*什么是傳熱和熱負(fù)荷*柴油機(jī)中的熱負(fù)荷狀況*熱負(fù)荷對(duì)柴油機(jī)的損壞*研究熱負(fù)荷的方法（數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)量）一、傳熱與熱負(fù)荷(及溫度場(chǎng))（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(dǎo)熱、熱對(duì)流和熱輻射。

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

柴油機(jī)缸內(nèi)傳熱研究對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率、降低有害氣體和顆粒排放，進(jìn)行受熱零部件熱負(fù)荷和熱強(qiáng)度計(jì)算，以及活塞燃燒室形狀和優(yōu)化冷卻水和潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)都具有重要意義。柴油機(jī)缸內(nèi)的傳熱過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)流換熱、熱輻射同時(shí)共存且又處于有燃燒的瞬變過(guò)程中，其中一些細(xì)節(jié)人們至今尚未完全掌握，對(duì)柴油機(jī)缸內(nèi)傳熱這樣一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程進(jìn)行完整的理論描述是非常困難的。目前在我們的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)你所研究的實(shí)際機(jī)型，選用合適的經(jīng)驗(yàn)公式并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，交互驗(yàn)證，最終修正并確定你的傳熱模型。經(jīng)驗(yàn)公式有很多，現(xiàn)在在柴油機(jī)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—?dú)怏w壓力Tg—?dú)怏w溫度B.燃燒室各部件的導(dǎo)熱

在柴油機(jī)中，導(dǎo)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(dǎo)熱問(wèn)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(dǎo)出固體導(dǎo)熱偏微分方程。對(duì)上方程的求解非常麻煩和困難，只有用數(shù)值仿真方法進(jìn)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(duì)流換熱

流體與固體壁面直接接觸，所發(fā)生的熱量傳遞稱(chēng)為對(duì)流換熱。按經(jīng)典的牛頓冷卻公式可知：q=α(tw-tf)，在這個(gè)公式中關(guān)鍵的物理量是換熱系數(shù)，但它只不過(guò)給出了換熱系數(shù)的定義式，而沒(méi)有揭示出換熱系數(shù)與有關(guān)影響它的物理量之間的內(nèi)在聯(lián)系。而實(shí)質(zhì)上影響換熱系數(shù)的因素有很多。流動(dòng)形式（是自然對(duì)流還是強(qiáng)迫對(duì)流）、流體有無(wú)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(dòng)物理性質(zhì)（密度、動(dòng)力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)等）、流動(dòng)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(fù)雜的。在能查詢(xún)到的文獻(xiàn)中在這方面的報(bào)道很少，迄今為止，對(duì)于冷卻水一側(cè)換熱系數(shù)的局部分布情況，尚無(wú)系統(tǒng)的研究。在國(guó)內(nèi)外發(fā)表的文獻(xiàn)和有關(guān)書(shū)籍中，通常是給出的在一定條件下的經(jīng)驗(yàn)公式和換熱系數(shù)平均值的范圍。目前在我們的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)你研究的機(jī)型，選擇準(zhǔn)則公式進(jìn)行簡(jiǎn)算，并選擇經(jīng)驗(yàn)平均值范圍，再與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較交互驗(yàn)證，最終確定。（三）什么是熱負(fù)荷？

熱負(fù)荷通常應(yīng)從兩個(gè)方面來(lái)理解：一是受熱零部件由于溫度過(guò)高或過(guò)低，而失去工作能力；二是受熱零部件由于溫度梯度過(guò)大而產(chǎn)生大的熱應(yīng)力、熱疲勞而遭受破壞。柴油機(jī)是燃料在機(jī)器內(nèi)部燃燒而將能量釋放做功的一種熱能動(dòng)力機(jī)械。通常認(rèn)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(rùn)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(fù)荷故障

在柴油機(jī)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(yán)酷的熱負(fù)荷，最容易發(fā)生熱負(fù)荷故障。由于熱負(fù)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(jiàn)不鮮，直接或間接地影響著柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。柴油機(jī)受熱零部件常見(jiàn)的熱負(fù)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(mén)座合面的燒傷和斷裂及挺桿的斷裂等等。（五）什么是溫度場(chǎng)？

溫度場(chǎng)就是受熱零部件的溫度分布。它是熱負(fù)荷的象征，溫度場(chǎng)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(fù)荷的改善指出途徑或找到解決的方法。并且根據(jù)溫度場(chǎng)可以求出熱流密度、熱應(yīng)力、熱變形以及各點(diǎn)的溫度，從而能全面地評(píng)定該受熱零部件的熱負(fù)荷程度。（特征點(diǎn)溫度是否超過(guò)極限熱流分布是否合理等。）二、柴油機(jī)主要受熱零部件的熱負(fù)荷狀況柴油機(jī)在工作時(shí)，燃燒室內(nèi)燃?xì)獾淖罡咚矔r(shí)溫度一般都高達(dá)1600—2000度，燃?xì)馄骄鶞囟纫哺哌_(dá)600—1000度左右。并且隨著柴油機(jī)不斷向強(qiáng)化方向發(fā)展，熱負(fù)荷問(wèn)題會(huì)越來(lái)越嚴(yán)酷。1?；钊臒嶝?fù)荷狀況活塞是柴油機(jī)上最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)件，活塞工作時(shí)直接受到高溫、高壓的燃?xì)庾饔?，承受著?yán)酷的熱負(fù)荷。評(píng)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(dá)260—370度左右。2。氣缸套的熱負(fù)荷狀況評(píng)定氣缸套熱負(fù)荷的標(biāo)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(rùn)滑和磨損。缸套的最高溫度在缸套內(nèi)壁上部。通常認(rèn)為缸套內(nèi)壁的溫度應(yīng)在100—260之間。3。氣缸蓋的熱負(fù)荷狀況氣缸蓋和活塞頂一樣，直接與燃?xì)庀嘟佑|，且傳給冷卻水全部熱量的50%是通過(guò)氣缸蓋傳出的故其熱負(fù)荷也是很高的。氣缸蓋最高溫度處總是在受燃?xì)鉀_擊影響最大的區(qū)域，一般最高溫度在噴嘴和進(jìn)、排氣門(mén)座之間的區(qū)域。最高溫度通常小于380度。4。排氣門(mén)的熱負(fù)荷狀況排氣門(mén)承受著很高的熱負(fù)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(qiáng)化機(jī)上可達(dá)900度。三、柴油機(jī)主要受熱零部件正常工作的溫度約束一般認(rèn)為鋁合金材料當(dāng)溫度達(dá)到300—350度左右時(shí)，鋁合金的材料強(qiáng)度要大幅度下降，在375度左右達(dá)到其材料允許極限，溫度達(dá)到380—400度以上就不能保證繼續(xù)可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)。合金鑄鐵材料一般應(yīng)在375度范圍以?xún)?nèi)工作，超過(guò)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(rùn)滑油在溫度超過(guò)220度以上，易引起潤(rùn)滑油變質(zhì)結(jié)碳、膠結(jié)。因此，活塞各部位的溫度不應(yīng)超過(guò)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(xiāo)座<180度缸套各部位的溫度不應(yīng)超過(guò)下列極限數(shù)值：缸套內(nèi)壁對(duì)應(yīng)活塞上止點(diǎn)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(yīng)超過(guò)下列極限數(shù)值：缸蓋最高溫度區(qū)域<375度四、柴油機(jī)溫度場(chǎng)數(shù)值仿真的基本原理和方法1。溫度場(chǎng)數(shù)值仿真的基本原理在柴油機(jī)燃燒室組件中，存在著大量的熱能轉(zhuǎn)換和熱量傳遞。應(yīng)用傳熱學(xué)理論來(lái)進(jìn)行分析，可求得燃燒室組件（活塞、缸套、缸蓋等）的溫度場(chǎng)。根據(jù)付里葉定律和能量守恒定律可推導(dǎo)出固體導(dǎo)熱偏微分方程：式中：ρ—密度；t—時(shí)間；Cp--比熱容；qv—內(nèi)熱源強(qiáng)度;λ—導(dǎo)熱系數(shù)；

T--溫度；X,Y,Z---直角坐標(biāo)

求解熱傳導(dǎo)方程的三類(lèi)邊界條件：第一類(lèi)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(lèi)邊界條件：給出邊界上的導(dǎo)函數(shù)值，即給熱流密度；第三類(lèi)邊界條件：給出邊界的函數(shù)與導(dǎo)函數(shù)之間的關(guān)系式，即給定流體介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)。對(duì)求解熱分析的瞬態(tài)問(wèn)題還要知道初始條件，即給出系統(tǒng)的初始溫度分布。同時(shí)，還要知道所求物體的材料常數(shù)（密度、導(dǎo)熱系數(shù)及比熱等）。對(duì)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(wèn)題）求解微分方程的問(wèn)題。但是，顯然對(duì)于柴油機(jī)受熱零部件的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，由于物體的幾何形狀、邊界條件復(fù)雜，以及問(wèn)題的某些特征是非線性的，因此不可能求得理論解析解。現(xiàn)在人們?cè)趶V泛吸收現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)理論的基礎(chǔ)上并借助于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物——計(jì)算機(jī)來(lái)獲得滿(mǎn)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(lái)，人們?cè)趯?duì)柴油機(jī)進(jìn)行受熱零部件溫度場(chǎng)的數(shù)值仿真研究中，采用的數(shù)值計(jì)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(yīng)用最為廣泛的是有限單元法，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，更使得有限單元法在內(nèi)燃機(jī)工程中的應(yīng)用得到了迅猛的發(fā)展。有限單元法的求解：利用加權(quán)余量法由導(dǎo)熱偏微分方程及定解條件導(dǎo)出變分原理，再求得微分方程

然后，將計(jì)算區(qū)域離散，確定單元類(lèi)型、溫度插值函數(shù)，劃分單元對(duì)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(yīng)用已經(jīng)很成熟。為了把科技工作者從復(fù)雜、繁重的數(shù)值計(jì)算和編寫(xiě)計(jì)算程序等勞動(dòng)中解放出來(lái)，讓他們專(zhuān)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(jī)構(gòu)推出了許多工程上應(yīng)用的數(shù)值分析計(jì)算軟件。目前，我們學(xué)校許多院系都使用的是：大型有限元計(jì)算分析軟件ANSYS。五、ANSYS軟件在求解柴油機(jī)零部件溫度場(chǎng)的應(yīng)用

ANSYS軟件應(yīng)用實(shí)例：

180活塞二維軸對(duì)稱(chēng)模型穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)180活塞三維軸對(duì)稱(chēng)模型穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)三維結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)循環(huán)瞬態(tài)溫度場(chǎng)動(dòng)畫(huà)演示軸對(duì)稱(chēng)活塞熱變形動(dòng)畫(huà)演示二維結(jié)構(gòu)耦合系統(tǒng)循環(huán)瞬態(tài)溫度場(chǎng)動(dòng)畫(huà)演示六、柴油機(jī)受熱零部件的溫度測(cè)量方法

在柴油機(jī)熱負(fù)荷的研究中，用實(shí)驗(yàn)