【摘要】：活塞是水下航行器發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部件,在運(yùn)行過程中,活塞頂面經(jīng)受著高溫高壓燃?xì)獾姆磸?fù)沖刷,高溫的熱載荷促使活塞產(chǎn)生熱膨脹變形,壓力載荷使活塞產(chǎn)生機(jī)械變形,必然會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和穩(wěn)定性,因而對(duì)活塞整體的強(qiáng)度計(jì)算分析顯得尤為重要,避免活塞出現(xiàn)裂紋及斷裂情況,保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。目前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞強(qiáng)度的研究大部分是基于循環(huán)平均載荷計(jì)算得到變形及應(yīng)力,而忽略了活塞頂面壓力場和溫度場的不均勻性,必然對(duì)計(jì)算結(jié)果造成不可忽略的影響。本文以某型水下航行體熱動(dòng)力活塞式凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象,利用FLUENT對(duì)缸內(nèi)的流場進(jìn)行計(jì)算,通過Workbench基于流固耦合原理計(jì)算分析活塞的整體溫度場以及活塞的變形及應(yīng)力。本文以某型水下航行器活塞式凸輪發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)建立進(jìn)排氣以及缸內(nèi)做功的數(shù)學(xué)模型,選擇合適的壁面?zhèn)鳠崮Ｐ?通過MATLAB數(shù)值仿真得到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)及缸內(nèi)壓力和溫度隨轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系;根據(jù)閥體、閥座以及氣缸的運(yùn)動(dòng)特征建立計(jì)算所需的流體域模型,利用SIMPLEC速度壓力耦合算法,選擇k-ε湍流模型,采用二階迎風(fēng)格式,通過有限體積法計(jì)算缸內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)及變化規(guī)律,分析得到活塞頂面的對(duì)流換熱系數(shù)及壓力場;對(duì)活塞溫度場和強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算時(shí),分別采用循環(huán)平均法和流固耦合法,分析活塞的溫度場和熱流密度的變化規(guī)律,進(jìn)而分析研究了在溫度載荷、機(jī)械載荷以及兩者耦合作用下的總變形量分布、軸向、徑向變形量分布以及等效應(yīng)力分布。通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn):適用于水下航行體熱動(dòng)力的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)壁面?zhèn)鳠崮Ｐ蜑閃oschini公式,并且零維仿真及流場的數(shù)值模擬均能夠準(zhǔn)確計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù);缸內(nèi)的流場復(fù)雜,在進(jìn)氣階段,缸內(nèi)壓力和溫度、活塞頂面的壓力及換熱系數(shù),均較大,并且存在較大的梯度,隨著曲軸轉(zhuǎn)角的變化逐漸減小并趨于均勻;基于循環(huán)平均法時(shí),活塞頂面溫度最大,沿軸向逐漸減小,由熱載荷引起的變形在頂面最大,機(jī)械載荷下的最大變形出現(xiàn)在頂面靠近導(dǎo)向槽一側(cè)的邊緣處,最大值等效應(yīng)力在滾輪軸孔上端面;考慮流固耦合的作用時(shí),不均勻的對(duì)流換熱系數(shù)產(chǎn)生了不均勻的溫度場,活塞的熱變形沿徑向指向氣缸分布圓中心處增大,同時(shí)流固耦合作用對(duì)活塞的耦合變形及應(yīng)力的分布無明顯影響。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U664.1;TJ6
【圖文】：

]；M. Baumann 研究了流場的三維結(jié)構(gòu)，并對(duì)渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可視化研究，發(fā)可以很好的與實(shí)驗(yàn)值吻合[63]；F. Payri 利用 PISO 壓力耦合方法，計(jì)算不同燃缸內(nèi)的流動(dòng)特征，氣缸壁面溫度由 Woschni 給定[64]。1 計(jì)算模型圖 3.3 給出了閥體的三維實(shí)體模型，其中忽略了在計(jì)算中無需考慮的海水孔和進(jìn)氣孔相通，排氣槽為閥體切掉的部分。圖 3.4 為本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣況提取的計(jì)算模型，此模型選擇的是在活塞上止點(diǎn)即曲軸轉(zhuǎn)角位零時(shí)各部件，由四部分組成：進(jìn)氣流道、排氣流道、連接流道和氣缸。當(dāng)進(jìn)氣流道的進(jìn)流道的氣道孔相重疊時(shí)，來自燃燒室的高溫高壓燃?xì)饨?jīng)燃?xì)馊肟�，�?jīng)過進(jìn)氣接流道，再進(jìn)入缸內(nèi)膨脹做功，之后氣道孔和排氣槽重疊時(shí)，工質(zhì)由連接流流道，完成一次完整的進(jìn)排氣過程[65]。本文進(jìn)氣流道和排氣流道相對(duì)連接流轉(zhuǎn)一周完成兩次循環(huán)。進(jìn)氣孔進(jìn)氣氣道孔燃?xì)?

]；M. Baumann 研究了流場的三維結(jié)構(gòu)，并對(duì)渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可視化研究，發(fā)可以很好的與實(shí)驗(yàn)值吻合[63]；F. Payri 利用 PISO 壓力耦合方法，計(jì)算不同燃缸內(nèi)的流動(dòng)特征，氣缸壁面溫度由 Woschni 給定[64]。1 計(jì)算模型圖 3.3 給出了閥體的三維實(shí)體模型，其中忽略了在計(jì)算中無需考慮的海水孔和進(jìn)氣孔相通，排氣槽為閥體切掉的部分。圖 3.4 為本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣況提取的計(jì)算模型，此模型選擇的是在活塞上止點(diǎn)即曲軸轉(zhuǎn)角位零時(shí)各部件，由四部分組成：進(jìn)氣流道、排氣流道、連接流道和氣缸。當(dāng)進(jìn)氣流道的進(jìn)流道的氣道孔相重疊時(shí)，來自燃燒室的高溫高壓燃?xì)饨?jīng)燃?xì)馊肟冢?jīng)過進(jìn)氣接流道，再進(jìn)入缸內(nèi)膨脹做功，之后氣道孔和排氣槽重疊時(shí)，工質(zhì)由連接流流道，完成一次完整的進(jìn)排氣過程[65]。本文進(jìn)氣流道和排氣流道相對(duì)連接流轉(zhuǎn)一周完成兩次循環(huán)。進(jìn)氣孔進(jìn)氣氣道孔燃?xì)?

計(jì)算模型的整體網(wǎng)格

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2749566