活塞热边界条件的计算.docx
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活塞热边界条件的计算
第三章边界条件的计算
3.1第一类边界条件
如本文第二章所述,第一类边界条件都是通过实验的方法得出受热零件表面
的一些特征点温度值。
这些温度是受热零件热负荷计算中必不可少的,不仅可预
知其表面温度分布的大致状况,而且是热计算中反求法所必需的基本判据。
受热零件的温度测量实验方法,至今已有多种,可以测出平均温度值,也可以测出瞬态温度值,在内燃机的温度测量中都得到了应用。
而且随着现代电子技术的发展,测温手段日趋完善。
表3-1中列出了一些主要的测温方法。
表3-1内燃机零件的测温方法[24][33][21][35]
测试方法
测量原理
测试对象
主要问题及应用现状
硬度测量
法
利用某些合金经淬火后硬度随着回火温度的升咼而下降的特性,材料会产生永久性硬度变化。
零件表面温度(硬度塞法);
零件整体的温度分布(硬度恢复法)。
当被测温度超出180C〜250C时,测量误差较大;只能用于测某一限定工况下的温度,测量时间较长。
易熔塞法
利用某些金属在熔解或凝固过程中液、固相共存,温度保持不变这一特性。
零件表面温度
需要知道被测温度的大致范围,而且在同一测点上使用多种熔点温度的合金塞,有时会出现合金塞飞脱现象。
方法简洁、直观,温度值接近热电偶法,被广泛应用。
氟化法
被氟化固体在一定温度时放射性元素达到一定量,重新加热时低于该温度则放射量不变。
零件表面温度
需要对测温件事先氟化,在发动机上运转后取下冉次加温,固定温度间隔内测放射量。
误差大。
热电偶法
不同金属结合时,两端温度不同,则产生热电势。
零件表面温度、温度梯度、瞬态温度等。
普通热电偶法、贯穿式热电偶法、表面热电偶法。
测运动件温度时,需要引出信号,常见的引出机构有:
(1)连续引出机构(如四连杆机构、缸盖贯穿式);
(2)间歇接触式装置(插针式接
触装置、弹黄触点装置、滑片式接触装置)
(3)无接触测量、遥测法。
测量可靠,精度高,可随工况变化,但机构复杂安装困难。
电模拟法
利用导热和导电的相似性,用电场模拟温度场。
零件整体温度分布
难以准确模拟边界条件,实验工作量大,目前很少采用。
示温涂料法
利用某种涂料在加热后不同温度颜色发生不同的永久性变化。
活塞内腔表面温度
涂料不能与高温燃气直接接触,测温范围窄。
热敏电阻
金属的电阻随温度的改
零件表面温度
接下页
负温度系数半导体热敏电阻的
法
变而变化。
使用受到允许的最咼耐久温度的限制。
红外热象法
利用物体的红外辐射特性来测量温度
零件表面温度
无触点、适时、快速、精度咼。
3.2第二类边界条件
热流密度作为已知边界条件的方法一般很少应用,其原因是:
(1)由于测量手段复杂且零件结构的不规则,不易通过实验的方法直接获得,而且精确度不高;
(2)作为求温度场的反求条件不直接。
具体测量方法如表3-2
表3-2热流密度测量方法[33]
测量方法
测量原理
应用情况
燃烧室表面温度波动法
利用零件表面的温度波动,求解傅立叶方程。
取决于热电偶和零件壁厚的均匀度。
热流量计法
通过栓塞上的测点并利用傅立叶公式求解。
测量方便,但有积碳后精度下降。
工作过程计算法
通过发动机的性能参数求解换热系数的方法。
实际上是利用第三类边界条件再求之。
方法复杂,单纯作为边界条件不适用。
3.3第三类边界条件
第三类边界条件是目前进行内燃机热负荷计算中最常用的一种方法。
本文选
取了表2-1中适合于本次活塞热负荷计算的三种经验公式。
表3-3发动机的一些参数
缸径D
(mm)
冲程S
(mm)
最高燃气压力pz
(MPa)
冷却水平均温度T水
(C)
压缩比名
150
160
16
99.5〜105
13.5
燃烧室容积Vc
(l)
径长比九
平均有效压力Fe
(bar)
机油温度T油
(C)
0.226
0.25
17.74
105〜120
3.3.1活塞顶的边界条件
作为稳态温度场计算,需要计算一个工作循环的综合燃气平均温度和平均换热系数。
计算方法有示功图法和经验公式法等,示功图法需要有内燃机性能实验或计算出的示功图,结果较可靠,但步骤复杂,需要的参数多;经验公式法是在几个机型的试验基础上,利用缸内近似为长管内流体与壁面是湍流受迫对流换热特性,归纳出的直接计算燃气平均温度和平均换热系数的公式,方法简单,在一些机型如Z165F、Z175F和Z185F的热计算中得到了验证。
本文利用示功图法和经验公式法分别进行了计算。
一、经验公式法
1
1.8Pe0.7n%e°2(1「DS)(3-1)
式中K1——修正系数;
R平均有效压力(bar);
n内燃机转速(r/min);
De――几何特征尺寸D^2DS(2DS)
代入表3-3中的参数,hm=542.3W(m2K)
Tres=K21.0409(NeFp)026D0'2()0.28Ta(3-2)
-1
式中K2——修正系数;
Ne――额定功率(kW);Fp活塞顶投影面积(m2);
Ta――进气温度(K)。
代入表3-3中的参数,Tres=4589K
由于上述公式是以风冷低速柴油机为试验机,而本文所选用机型是高强化高速水冷柴油机,所以需要对原公式进一步修正,否则不适用。
二、示功图法
根据式2-24、2-25的计算方法,首先需要分别求出瞬时换热系数和瞬时燃气温度。
Eichelberg公式是Eichelberg1939年在一台大型二冲程柴油机测量的基础上提出的一个公式。
用直接测量壁面温度波动方法来反求瞬时换热系数,在此式中考虑辐射影响T的方次取得较大,转速的影响取得较小,在低速内燃机可以适用,应用在高速机上就显偏低。
但由于该公式比较简单,可以通过修改系数减少误差,所以在各种机型上仍然得到了广泛的应用。
基本公式如下:
hg=2.47PgTg3Cm(3-3)
式中Pg――瞬时燃气压力(MPa);
Tg――瞬时燃气温度(K);
Cm――活塞平均速度(m/s)。
式中的Pg可以从内燃机性能实验所测出的示功图得到,也可以利用在新机型方案论证时,通过要达到的一些技术指标及所能利用的一些参数进行性能预测所得到的示功图。
图3-1即为本文计算所利用的P-:
’图。
由于增压柴油机的过量空气系数较
大,所以在应用式
3-1时,可认为工质为理想气体,利用理想气体状态方程式:
PV二mRT
(3-4)
则
t_PgVx
Tg-
mR
(3-5)
其中
兀2
Vx二Vc—DSx
4
(3-6)
式中
Vx――瞬时气缸容积;
Vc燃烧室容积;
m气缸内燃气质量;
Sx活塞瞬时冲程。
Sx二S[1—cos:
:
丄(1一.1一■2sin2:
)]
2k
(3-7)
式中
'曲柄回转半径和连杆长度之比;
S——活塞冲程。
根据上述公式可以计算出任意时间(曲轴转角)间隔的Pg和Tg(Pg和Tg关
系图见图3-2),代入公式式3-1中,即可计算出相应时间(曲轴转角)间隔的hg
图3-2燃气压力与温度关系图
同样根据内燃机的工作过程是由不同的多变过程组成的,根据P、T的关系
式:
学珂牛"(3-8)
TaPa
式中Ta――气缸内任一行程开始时的温度;
Tgx——该行程内任一时间的温度;
R――气缸内任一行程开始时的压力;
巳一一该行程内任一时间的压力。
n――该行程的多变指数。
式3-6中的Ta、Pa、n、Fx均可通过实验得出,如此便建立了Tgx和巳的指
数关系式,可以求出任一时间间隔的Tgx,亦满足了公式3-1的要求。
为求出平均换热系数,在内燃机热负荷计算中,一般以曲轴转角表示时间,一个工作循环为720CA,式2-24变为
可以1CA或10CA为取值间隔,在压缩行程和膨胀行程由于燃气压力变化较快,取值间隔可适当减小。
由于现在计算机技术发展迅速,取值间隔大小一般对计算速度和结果影响不大。
本文每隔1CA取一Pg值,求出相应的Tg值和hg值,
利用式3-7求出燃气和活塞顶的平均换热系数hm(见表3-4由于篇幅所限只节选为10CA间隔)
表3-4利用Eichelberg公式计算的hg
曲轴转角申
瞬时燃气压力Pg
y
瞬时燃气温度Tg
y
瞬时换热系数hg
y
CA
bar
K
2
W/(m•K)
进气行程-360
2.898
550.4
224.0533
-350
2.917
464.3
206.4574
-340
2.918
420.1
196.4183
-330
2.915
397.6
190.9877
-320
2.934
386.1
188.8177
-310
2.935
380.7
187.5246
-300
2.931
378.4
186.8299
-290
2.939
377.5
186.8621
-280
2.959
377.5
187.4968
-270
2.994
378.3
188.8021
-260
3.03
379.3
190.1847
-250
3.054
379.9
191.0874
-240
3.071
380.3
191.7193
-230
3.087
380.8
192.3444
-220
3.089
380.9
192.432
-210
3.083
380.8
192.2198
-200
3.085
381
192.3326
-190
3.095
381.5
192.7704
压缩行程-180
3.104
382.2
193.2276
-170
3.107
382.7
193.4473
-160
3.136
384.1
194.7032
-150
3.229
387.6
198.4672
-140
3.4
393.5
205.1987
-130
3.7
401.7
216.2791
-120
4
412.4
227.8517
-110
4.5
425.8
245.5681
-100
5.2
442.8
269.1958
-90
6.1
463.9
298.4283
-80
7.5
490.4
340.227
-70
9.5
523.4
395.5866
-60
12.6
564.8
473.2553
-50
17.6
616.7
584.4619
-40
25.7
681.4
742.3872
-30
39.1
759.9
967.0067
-20
60
847.7
1265.201
-10
92
993.5
1696.058
膨胀行程0
138.6
1334.4
2412.612
10
157.4
1674.3
2879.93
20
130.5
1800.5
2719.347
30
99.7
1881.7
2429.885
40
72.6
1864.7
2064.123
50
50.6
1718.6
1654.343
60
37
1599.6
1364.801
70
28.3
1503
1157.006
80
22.5
1424.7
1004.421
90
18.6
1361
892.5826
100
15.8
1309.2
806.853
110
13.945
1212.3
729.4192
120
12.411
1175.2
677.52
130
11.074
1140.4
630.4399
140
9.762
1103.5
582.262
150
8.46
1063.3
532.0788
160
7.227
1020.7
481.8268
170
6.095
976.6
432.8208
排气行程180
5.082
931.7
386.0275
190
4.224
888.1
343.6021
200
3.543
848.3
307.5553
210
3.056
815.8
280.1118
220
2.766
793.8
262.8721
230
2.673
785.1
256.9951
240
2.718
786.8
259.4297
250
2.784
790.8
263.2272
260
2.771
789.5
262.396
270
2.738
785.7
260.2004
280
2.757
785.7
261.1017
290
2.809
787.8
263.9045
300
2.94
794.7
271.1678
310
3.135
805.4
281.895
320
3.252
806.6
287.3209
330
3.22
794.1
283.6798
340
3.008
769.3
269.8669
350
2.942
706.9
255.8369
359
2.898
800
270.1202
根据上述结果,hm=571W(m2K)
燃气综合平均温度是以燃气为基础的温度,其和hm的关系式为
1720
Tres=—』hgTgd®(3-10)
hm0
利用Eichelberg公式计算在一个工作循环中,气缸内瞬时换热系数hg和瞬时燃气温度Tg随曲轴转角变化的关系见图3-3。
*对流换热系数二燃气温度
Woschni以相似原理为基础用气缸直径和活塞平均速度作为Re的主要表征
量,并且通过试验发现辐射的影响并不高,认为有的公式对辐射散热估计过高,实际由于气缸内很高的气流速度和密度,使对流部分要比辐射部分高约十倍,因
而辐射影响可忽略不计。
所用的试验机是高增压大功率的柴油机。
方程式为:
0.2140.7860.525
hg=453.6D(CmPg)Tg(3-11)
计算数据如表3-5。
表3-5根据Woschni公式的计算结果
曲轴转角申
瞬时燃气压力Pg
瞬时燃气温度Tg
瞬时换热系数hg
CA
bar
K
2
W/(m•K)
进气行程-360
2.898
550.4
395.2872
-350
2.917
464.3
434.4405
-340
2.918
420.1
457.9905
-330
2.915
397.6
471.0383
-320
2.934
386.1
480.8016:
-310
2.935
380.7
484.4998
-300
2.931
378.4
485.5229
-290
2.939
377.5
487.1729
-280
2.959
377.5
489.7768
-270
2.994
378.3
493.7754
-260
3.03
379.3
497.7457
-250
3.054
379.9
500.4265
-240
3.071
380.3
502.3371
-230
3.087
380.8
504.0452
-220
3.089
380.9
504.2324
-210
3.083
380.8
503.5318
-200
3.085
381
503.6497
-190
3.095
381.5
504.5849
压缩行程-180
3.104
382.2
505.2514
-170
3.107
382.7
505.2882
-160
3.136
384.1
508.0166
-150
3.229
387.6
517.3514
-140
3.4
393.5
534.5103
-130
3.7
401.7
565.0901
-120
4
412.4
592.5657
-110
4.5
425.8
639.222
-100
5.2
442.8
701.5833
-90
6.1
463.9
776.1686
-80
7.5
490.4
886.7859
-70
9.5
523.4
1031.96
-60
12.6
564.8
1237.959
-50
17.6
616.7
1537.247
-40
25.7
681.4
1964.405
-30
39.1
759.9
2579.963
-20
60
847.7
3410.824
-10
92
993.5
4391.205
膨胀行程0
138.6
1334.4
5190.514
10
157.4
1674.3
5092.053
20
130.5
1800.5
4230.075
30
99.7
1881.7
3344.992
40
72.6
1864.7
2619.305
50
50.6
1718.6
2058.52「
60
37
1599.6
1671.322
70
28.3
1503
1398.815
80
22.5
1424.7
1201.352:
90
18.6
1361
1059.55
100
15.8
1309.2
951.209
110
13.945
1212.3
897.7952:
120
12.411
1175.2
832.6895
130
11.074
1140.4
773.4423
140
9.762
1103.5
712.6588:
150
8.46
1063.3
649.3494
160
7.227
1020.7
586.1775
170
6.095
976.6
524.7442:
排气行程180
5.082
931.7
466.2651
190
4.224
888.1
413.4625
200
3.543
848.3
368.873:
210
3.056
815.8
335.2036
220
2.766
793.8
314.4178
230
2.673
785.1
307.8543
240
2.718
786.8
311.5666
250
2.784
790.8
316.6538
260
2.771
789.5
315.7636
270
2.738
785.7
313.5974
280
2.757
785.7
315.3067
290
2.809
787.8
319.5236
300
2.94
794.7
329.6658
310
3.135
805.4
344.3073
320
3.252
806.6
354.0906
330
3.22
794.1
354.2418
340
3.008
769.3
341.4175
350
2.942
706.9
350.7517
359
2.898
800
324.823
通过公式3-7和公式3-8即可求出hm=999W(m2K),Tres=1057K
利用Woschni公式得出的Tg和hg在一个工作循环中随曲轴转角的变化可由
图3-5所示
6000
■
5000
4000
3000
2000-
1000
0-
—•—燃气温度
—□—换热系数
0
-300-200-1000100200300
曲轴转角(cA)
图3-5由Woschni公式得出的hg和Tg关系
Hohenberg以管道受迫对流Re为准则,根据经验式得:
Nu=cRe0.8
气
燃
时
瞬
式中G=130,C2=1.4
经计算可获得如表3-6的数据
表3-6根据Hohenberg公式的计算结果
曲轴转角半
瞬时燃气压力Pg
瞬时燃气温度Tg
瞬时换热系数hg
cA
bar
K
2
W/(m•K)
进气行程-360
2.898
550.4
272.2192167
-350
2.917
464.3
271.007787
-340
2.918
420.1
334.1861298
-330
2.915
397.6
341.9577963
-320
2.934
386.1
343.1425622
-310
2.935
380.7
343.2790772
-300
2.931
378.4
340.2352103
-290
2.939
377.5
336.2797388
-280
2.959
377.5「
333.5287689「
-270
2.994
378.3
332.0668476
-260
3.03
379.3
332.1076752
-250
3.054
379.9
332.5461134
-240
3.071
380.3
332.4245731
-230
3.087
380.8
332.1014646
-220
3.089
380.9
331.9756476
-210
3.083
380.8
331.090231
-200
3.085
381
329.8844951
-190
3.095
381.5
329.5442668
压缩行程-180
3.104
382.2
330.0600689
-170
3.107
382.7
330.6954401
-160
3.136
384.1
331.1658517
-150
3.229
387.6
333.8245931:
-140
3.4
393.5
341.473671
-130
3.7
401.7:
368.9663618:
-120
4
412.4
399.2300731
-110
4.5
425.8—
427.9770371「
-100
5.2
442.8
477.6019369
-90
6.1
463.9
538.4087338~
-80
7.5
490.4
622.2152967
-70
9.5
523.4
744.1806608
-60
12.6
564.8
914.722022
-5
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