（动力机械及工程专业论文）活塞组润滑油膜气缸套耦合系统三维瞬态传热模拟.pdf

摘要 ￥5 7 8 9 6 6 随着不可再生能源的日益枯竭以及环保法规的日益严格，对发动机的综合性能提出了 更高的要求，新技术如新的燃烧系统、增压、低热损、高强化技术、现代电子技术的应用 以及代用燃料的使用已经成为提高发动机综合性能指标的重要途径，上述新技术的采用导 致发动机的热负荷的增加。因此，发动机热负荷成为发展现代发动机技术的关键之一，发 动机燃烧室零件的传热以及热负荷研究比以往显得更加重要。 发动机燃烧室零件的传热研究主要分为三个部分，即燃烧室零件稳态传热、周期性瞬 态传热以及过渡工况瞬态传热研究。燃烧室零件传热的分析方法包括了解析、数值以及实 验分析法等。解析法只能用于形状以及边界条件都很简单的零件，实验方法也只能在实机 上进行，这两种方法在发动机热负荷研究方面都存在很大的局限性。数值求解方法特别是 有限元法，由于其单元的多样性，从而能很好的模拟求解问题的物理边界和边界条件，同 时，根据问题的求解类型和精度，可以生成任意精细和粗糙的网格模型，因而被广泛用于 现代发动机燃烧室零件的传热与热负荷数值分析中。 传统的分析方法一般只进行燃烧室单个零件的传热分析，但是，由于燃烧室零件之间 存在复杂的传热联系，这种联系在单件分析中不能得到体现。随着计算机技术的发展，完 全有必要建立能够体现这种联系的零件系统传热模型。因此，本文将基于“系统”和“三 维”的观念建立活塞组一润滑油膜一气缸套系统三维瞬态传热模型，并基于“耦合”概念 进行上述系统传热有限元模型研究和相应程序的丌发。 文中，采用有限元技术，建立了活塞组一润滑油膜一气缸套之间的耦合传热联系，并 推导出基于润滑油膜为一维热阻的活塞组一润滑油膜一气缸套系统三维周期性瞬态传热和 过渡工况瞬态传热的有限元模型。在上述模型的基础上，开发了发动机燃烧室活塞组一润 滑油膜一气缸套耦合系统三维周期性瞬态传热和过渡工况瞬态传热有限元分析程序。在数 值分析模型和程序的实现过程中，进行了大型模型的压缩、求解速度以及耦合传热问题解 藕的研究。 本文以c u b l 0 0 汽油机为例，建立了c u b l 0 0 汽油机移动活塞组一润滑油膜一气缸套 耦合系统三维传热实体模型，完成了耦合系统的三维有限元网格生成。通过在活塞组顶部 建立局部子区细化单元模型缩小了周期性瞬态传热问题的求解规模，并通过在活塞组与气 缸套接触表面划分规则化网格分别建立了耦合系统周期性瞬态传热以及过渡工况瞬态传热 随时间变化的复杂运动边界条件。采用所开发的程序，进行了c u b l 0 0 汽油机耦合系统三 维周期性瞬态传热和过渡工况瞬态传热的分析，得到了合理的模拟结果。 浆廷产j 、i j 彭麓藏 i l l 筑垒之公布 为了验证文中提出的耦合系统传热模型及开发程序的正确性，对c u b l 0 0 汽油机进行 了过渡工况瞬态温度测试实验，通过测试点上模拟结果与实测结果的比较，验证了上述三 维传热模型及程序的正确性。 发动机传热全仿真是一个考虑到缸内气体流动、燃烧以及耦合系统传热的复杂模型， 本课题发展的发动机燃烧室活塞组一润滑油膜一气缸套耦合系统三维周期性瞬态传热和过 渡工况瞬态传热模型和程序，完成了发动机传热全仿真研究中固体传热部分的研究，同时， 该三维系统模型的研究也为发动机的虚拟设计打下了重要的基础，模拟得到的c u b l 0 0 汽 油机周期性瞬态以及过渡工况瞬态温度场，对该型汽油机的强化研究具有重要的指导意义。 关键词：发动机l 燃烧室耦合系统；3 一d 传热；瞬态传热 i v a b s t r a c t t h ew h o l ep e r f o r m a n c eo ft h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n em u s tb ei m p r o v e db e c a u s eo ft h e d r a i n i n ge n e r g ys o u r c e sa n dr i g o r o u sl a wo fc o n s e r v a n c yo fe n v i r o n m e n t t h em o d e me n g i n e s w i t hn e wt e c h n o l o g i e s ( s u c ha sn e wc o m b u s t i o ns y s t e m ，s u p e r c h a r g e r , a p p l i c a t i o ne l e c t r o n i c s t l o w h e a t - r e j e c t i o na n dh i g hs p e c i f i cp o w e ro u t p u t ) a r ed e v e l o p e dt os a t i s f yt h ef o r m e rd e m a n d s b u tn e wt e c h n o l o g i e se m p l o y e dw i l li n c r e a s et h et h e r m a ll o a do ft h ei n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n e t l i a tw i l ld e c i d et h es u c c e s so rf a i l u r eo ft h ed e v e l o p m e n t s ot h es t u d yo ft h eh e a tt r a n s f e ra n d t h e r m a l l o a do ft h ec o m p o n e n t sw i t h i nt h ei n t e m a lc o m b u s t i o nc h a m b e rb e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n t t h e s t u d y o ft h eh e a tt r a n s f e ro f c o m p o n e n t s w i t h i nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e rc a nb ed i v i d e d i n t ot h r e ep a r t s ：t h es t e a d yh e a tt r a n s f e r , t h ec y c l i ct r a n s i e n th e a tt r a n s f e ra n dt h en o n s t e a d yh e a t t r a n s f e ru n d e rt h et r a n s i e n t o p e r a t i n g c o n d i t i o n s t h ea n a l y s i sm e t h o d si n c l u d e a n a l y t i c a l ， n u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lm e t h o da n ds oo n ，b u tt h ea n a l y t i c a lm e t h o dc a no n l yb eu s e dt o a n a l y z et h ec o m p o n e n t s w i t hs i m p l es h a p ea n d b o u n d a r y c o n d i t i o n sa n dt h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d c a no n l yb eu s e da f t e rt h ee n g i n eh a sb e e nm a n u f a c t u r e d s ow i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h e t e c h n o l o g i e so f t h ec o m p u t e ra n d c a l c u l a t i o n ，t h ea n a l y t i c a la n de x p e r i m e n t a lm e t h o d sa r eh a r d l y e m p l o y e d t os t u d yt h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s si nt h ec o m p o n e n t sw i t h i nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e r t h en u m e r i c a lt e c h n o l o g i e s ，s u c ha st h ef m i t ee l e m e n tm e t h o d ，a r ee s p e c i a l l yu s e dt o c a l c u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l do ft h ec o m p o n e n t sb e c a u s et h ee l e m e n t sa r ev a r i o u st os i m u l a t et h e p h y s i c a lb o u n d a r i e sa n db o u n d a r y c o n d i t i o n s a tt h es a m e t i m e ，a c c o r d i n gt ot h ep r e c i s i o no f t h e p r o b l e m s ，t h ef i n e o rc o a r s em e s h e sc a nb ec o n t r o l l e de a s i l y s ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa r e c o m p r e h e n s i v e l ye m p l o y e dt os t u d y t h eh e a tt r a n s f e rp r o c e s si nt h e c o m p o n e n t s o n l yt h es i n g l ec o m p o n e n ti sg e n e r a l l ya n a l y z e d ，b u t t h e r ea r e c o m p l e xh e a tt r a n s f e r r e l a t i o n sa m o n gt h ec o m p o n e n t sw i t h i nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e ra n dt h e s er e l a t i o n sc a n tb e r e f l e c t e di nt h es i n g l ec o m p o n e n tm o d e l t h ec o m p l e xh e a tt r a n s f e rm o d e lo ft h e3 - d c o u p l i n g c o m p o n e n ts y s t e mc a nb ee s t a b l i s h e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h e o b v i o u sd i s a d v a n t a g e so ft h e1 - da n d2 - dh e a tt r a n s f e rm o d e lc a nb eo v e r c a m e s ot h eh e a t t r a n s f e rm o d e lo f t h ec o m p o n e n t s y s t e mw i t h i nt h ec o m b u s t i o nc h a m b e rw i l lb ee s t a b l i s h e dw h i c h i sb a s e do nt h ec o n c e p t i o no f s y s t e m a n d 3 - d i nt h ep a p e r t h eh e a tt r a n s f e rt h e o r yo ft h e c o m p o n e n ts y s t e mw i l lb ed e d u c e da n dt h ea n a l y s i ss o f t w a r ew i l lb ed e v e l o p e dw h i c ha r eb a s e d v o nt h ec o n c e p t i o no f c o u p l i n g t h ep a p e rd i s c u s s e st h er e s e a r c h p r o c e s s o ft h e p r o j e c t h e a t t r a n s f e rs i m u l a t i o no f c o u p l i n g3 - dc o m p o n e n ts y s t e mw i t h i ni n t e r n a lc o m b u s t i o n c h a m b e r t h ed i a e r e t ef o r m u l a e o f3 一dt r a n s i e n th e a tc o n d u c t i o na n dn o n s t e a d yh e a tc o n d u c t i o nu n d e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n so f t h ec o u p l i n gm o v i n gp i s t o na s s e m b l y - l u b r i c a n tf i l m l i n e rs y s t e ma r es u c c e s s f u l l yd e d u c e dt o p r e d i c t t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ec o m p o n e n t s y s t e m t h eh e a tt r a n s f e rr e l a t i o no f m o v i n g p i s t o na s s e m b l y - l u b r i c a n tf i l m l i n e rh a sb e e ne s t a b l i s h e db yt h i n k i n gt h el u b r i c a n tf i l ma s 1 - d t h e r m a lr e s i s t a n c e t h ec o m p u t e rp r o g r a mi sd e v e l o p e db a s e do nt h ed i s c r e t et h e o r i e s t h ew h o l e a s y m m e t r y m a t r i xo f t h ec o u p l i n gh e a tt r a n s f e ri se s t a b l i s h e da n ds o m e c o r r e s p o n d i n gc a l c u l a t i o n t e c h n o l o g i e sa r ee m p l o y e dt os a v et h ec a l c u l a t i o nt i m e t h eh e a tt r a n s f e rm o d e lo f t h ec o u p l i n g p i s t o na s s e m b l y - l u b r i c a n tf i l m l i n e ro f t h eg a s o l i n ec u b l 0 0 h a sb e e ne s t a b l i s h e da n dm e s h e d i n o r d e rt oc o n t r o lt h es i z eo ft h ed i s c r e t ep r o b l e ma n d g a i nt h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f t h ep i s t o na s s e m b l y , s o m el i t t l es u b d o m a i n so nt h ep i s t o nt o pa r em e s h e dw i t ht h er e f i n e d e l e m e n t s t h ec o m p l e xm o v i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ee s t a b l i s h e db ym e s h i n gt h ec o n t a c t i n g s u r f a c e sw i t hr e g u l a rm e s h e s t h ed i s c r e t em o d e lo f t h e g a s o l i n ec u b l 0 0 h a sb e e n a n a l y z e dw i t h t h e d e v e l o p e d s o f t w a r ea n dt h er e a s o n a b l es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h e c y c l i ct r a n s i e n ta n d n o n s t e a d yb e a tt r l t r l | f b ru n d e rt r a n s i e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d t h ee x p e r i m e n to f n o n s t e a d yt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t h a sb e e nc o n d u c t e da n dv a l i d a t e dt h es i m u l a t i o n s t h ed i s c r e t et h e o r i e s ，d e v e l o p e ds o f t w a r ea n dm o d e li nt h ep a p e ra r et h em o s ti m p o r t a n t p a r i si nt h eh e a tt r a n s f e ro f t h ec o m p l e t em o d e ls i m u l a t i o nr e s e a r c ha n dt h eb a s e so ft h ev i r t u a l d e s i g n f o rt h ei n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e k e y w o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ；c o u p l i n gs y s t e mw i t h i nc o m b u j t i o nc h a m b e r ；3 - d h e a tt r a n s f e r ；t r a n s i e n th e a tt r a n s f e r v i 1 绪论 本章主要说明活塞组一润滑油膜一气缸套耦合系统三维瞬态传热模拟课题 的来源及意义。在大量阅读国内外相关文献的基础上，综述了国内外在发动机燃烧 室零件温度场数值模拟方面的研究历史及现状，指出了各种研究方法中存在的不足 之处，同时，简要地介绍了该研究领域未来发展的趋势。在最后，简要介绍了本课 题研究的基本方法、主要内容及一些关键技术。 1 1 课题背景及意义 发动机将燃料燃烧释放出的热能转化为驱动热机的机械能。自n i c h o l a so t t o 于 1 8 7 6 年研制成功第一台四冲程火花点火式发动机以来，至今已有1 2 7 年的历史，在 这期间，发动机经过不断的改进和发展，已经成为了热效率最高、功率密度大、工 作可靠、集成了现代高科技的产品。虽然发动机排气中的有害物质以及噪声会严重 污染环境，并危及人类的身体健康，但是，到目前为止，发动机仍然一直是最重要 的动力源。因此，发动机的研究是一个关系到人类资源可持续性利用、环境保护以 及健康生存的重要课题。提高燃油经济性、降低排放和噪声以及降低发动机设计制 造成本是发动机研究领域中最具挑战性的研究内容，但是，不管是发动机结构分析 领域还是性能分析领域，都与发动机传热及热负荷存在重要的关系，特别是发动机 燃烧室零件的传热以及热负荷，是发动机开发成败的关键之一。 在发动机运行过程中，涉及到复杂的传热和传质问题，特别是在现代发动机的 设计中，由于发动机热负荷的不断增加，传热过程的研究在发动机研发中起着越来 越重要的作用 。发动机的传热过程基本上包括以下四个方面的内容：工质与燃烧 室燃气侧壁面之间的对流和辐射换热：燃烧室零件之间的传热过程；燃烧室单个零 件内的导热过程：燃烧室零件非燃气侧壁面与冷却介质之间的对流换热过程。本课 题将集中研究发动机燃烧室系统的传热过程。 燃烧室系统的传热分析在发动机研发中具有极其重要的地位： 首先，燃烧室零件的传热过程影响到燃烧室零件的热强度以及发动机的润滑和 磨损。众所周知，发动机燃烧室系统传热分析在发动机运行期间可分为三类情况， 即：稳定工况时由于高温工质的作用而产生的稳态温度场；非稳定运行工况或者过 渡工况下，产生随时间变化的不稳定温度场：由于高温燃气以及低温空气在一个发 动机工作循环内反复周期性的加热和冷却，在燃烧室零件燃气侧表面薄层产生的高 频温度波动，即周期性瞬态温度场。上述三种热负荷是影响发动机运行可靠性的最 重要的因素c 4 6 】，其原因有三：燃烧室零件温度过高，将发生燃烧室零件的烧蚀、高 温蠕变、高温腐蚀、材料硬度和强度的急剧下降、润滑油膜的破坏甚至结胶，磨损 的加剧等问题，从而导致发动机丧失工作能力；在零件温度梯度过大的地方，热负 荷所产生的热应力同机械应力叠加，是导致燃烧室零件失效的重要原因；系统燃气 侧表面承受剧烈的热冲击，在燃气侧表面温度变化剧烈的区域，产生明显高于静态 热应力的动态热应力( 或准静态热应力) ，该应力的尖峰值巨大，远远超出了材料 的屈服极限，虽然动态热应力作用时间极短( 承受热冲击之后在极短的时间内衰减 为静态热应力) ，但该应力的反复作用可能会导致燃烧室零件的损伤。 其次，燃烧室系统的传热还将影响到发动机的整机性能：加强发动机的冷却， 会导致燃烧室壁面温度下降过多，从而造成燃烧不良，引起发动机性能恶化，导致 发动机出功率不足、耗油率增大、发动机排放不良以及增加发动机的传热损失等问 题；减少传热将提高零件燃气侧壁面温度，降低发动机的充气效率等l 另外，过高 的零件表面温度可能导致早燃( 在火花点火式发动机中) ，造成暴震等，从而使得 发动机燃烧性能恶化。 最后，燃烧室零件摩擦热对燃烧室零件的温度场也有一定的影响。摩擦损失功 率约占指示功率的1 0 1 5 ，其中最大的一项为活塞组( 包括活塞与活塞环) 与气 缸套之间的摩擦损失，约占整个摩擦损失功率的5 5 6 5 之多【7 ，s 】。因此，研究活塞 组与气缸套之间的摩擦热不仅可以弄清楚摩擦热对燃烧室零件系统温度分布的影 响，而且还为减少活塞组与气缸套之间摩擦与磨损的研究提供了热学方面的分析基 础。 随着计算机技术的不断发展、现代设计和分析手段的日益完备以及不断提高的 发动机市场要求，传统发动机研发技术需要发生革命性的变革，使得发动机的设计 不仅要满足低成本、高效率以及设计个性化的要求，同时还要满足严格的能源和环 保法规。因此，作为发动机设计核心部分的燃烧室零件的设计分析已经成为现代发 动机设计技术的瓶颈之- - 1 引。当前。我国发动机技术水平同国际先进水平还有较大 的差距，发动机厂家的重要技术主要以引进为主，特别是在汽车和摩托车等行业尤 为严重，国内在发动机设计和分析技术方面还缺乏具有国际竞争力的核心技术以及 产品。这种形势很不利于我国发动机以及相关产业的发展，开发提高发动机综合性 能的c f d 以及c a d c a e 软件，以加强发动机流动计算、燃烧分析，零部件甚至零 件系统设计，成为当前提高发动机制造行业综合水平的一个重要手段因此，开发 2 先进的设计和分析软件成为国内外发动机研发的主要趋势【1 0 川，这种趋势体现在： 由传统的类比设计上升到利用计算机进行零部件结构分析、模态设计、优化设计以 及可靠性设计，并向发动机虚拟设计方向发展；开展燃烧系统的研究，使得供油系 统与燃烧室、进排气系统达到最佳配合，以降低燃油消耗率，减少工作粗暴和排放 等；采用增压技术以提高发动机的功率、降低燃油消耗率和减低排放、噪声等；新 材料以及代用燃料的采用；不断提高发动机的强化程度等。上述关系到发动机整体 发展水平的关键技术无疑都与发动机燃烧室零件系统的传热以及热负荷有着紧密 的联系，因此，发动机燃烧室零件的传热以及热负荷研究在现代发动机设计中具有 突出的地位，开发燃烧室零件传热数值模拟软件是当今发动机研究的一个重要且极 具挑战性的任务。 在发动机研发中，进行燃烧室传热与热负荷分析的主要目的是：分析发动机冷 却和功率损失；分析燃烧室零件温度场分布，从而研究发动机燃烧室零件的热强度 及热损伤等；通过传热分析，得到发动机缸内流动以及燃烧分析的重要温度边界条 件( 燃烧室壁面温度分布) 【1 2 。在发动机工作过程计算中，对于传热模型，燃烧室 壁面温度乃是决定工质与燃烧室壁面热交换的最重要的参数，而在一般的分析中， 都将壁面温度假设成一个常数，这种假设同温度的实际分布并不一致，因此，需要 通过更精确的传热模型，从而得到空间上非均匀分布的壁面温度场，l i u 和r e i t z t ”】 以及h a n 和r e i t z 】曾经采用k i v a i i 同零件导热程序的迭代算法计算了发动机缸 内流动以及燃烧室零件的传热过程，计算结果非常准确；进一步研究燃烧室零件温 度的时空分布对发动机性能和排放的影响等 1 5 - 1 8 】。特别是随着不可能再生能源的日 益枯竭以及环保法规的日益严格，提高发动机的效率以及降低排放已经成为现代发 动机设计课题中的一个最主要的内容，高比功率高强化和低热损发动机成为研究热 潮，燃烧室零件能否胜任高热负荷的作用在很大程度决定了新型发动机研发的成 败。 发动机活塞组一润滑油膜一气缸套耦合系统三维瞬态传热模拟是在华中科技 大学与嘉陵公司合作项目c u b l 0 0 汽油机强化研究的基础上引申发展而来的，在课 题c u b l 0 0 汽油机强化研究的研究中，关于燃烧室零件的热负荷研究，全部采用了 单件分析的方法。但是，传统的单个零件分析中，从一维传热模型到三维传热模型， 都没有考虑到燃烧室零件之间的复杂传热关系。 随着发动机设计技术以及计算机技术的发展，在传热研究领域已经开始进行发 动机传热全仿真的研究。发动机传热全仿真是一个考虑缸内气体流动、燃烧以及零 件系统传热的复杂模型。本文中，活塞组一润滑油膜一气缸套耦合系统三维瞬态传 热模拟的研究将基于“系统”和“三维”的观念建立燃烧室系统的传熟模型，并基 于“耦合”的概念进行燃烧室系统传热理论的推导、程序的开发以及相应模型传热 过程的分析。本文所建立的发动机活塞组一润滑油膜一气缸套耦合系统三维传热数 学模型、物理模型、有限元模型以及分析程序，将完成发动机传热全仿真模拟研究 中固体传热部分的基础研究工作，同时，模拟得到的c u b l 0 0 汽油机周期性瞬态传 热以及过渡工况瞬态传热温度场，对该型汽油机的强化研究具有熏耍的指导意义。 更为重要的是，该系统模型的建立将是尝试应用发动机虚拟设计技术的一个初期重 要工作。 1 2 燃烧零件传热过程及其研究概况 发动机燃烧室零件传热的研究过程同传热学的发展密切相关，传热学的发展可 以追朔到1 9 世纪初期，在批判“热素学”的基础上，j h l a m b e r t ，j b b l o t 和j b j f o u f i e r 都从固体的一维导热开始了传热问题的实验研究，1 8 2 2 年，】b ，f o u r i e r 发 表了著名的“热的解析理论”( 即傅立叶公式) ，成功地完成了导热解析理论的创建 任务，从而奠定了导热理论的基础。在j b j f o u r i e r 之后，g e b r i e m a n n ，h s c a r s l a w ，j c j a e j e r 等学者在导热领域的研究上取得了重大的研究成果。同样，自 1 8 2 3 年m n a v i e r 提出流动方程以来，通过1 8 4 5 年g gs t o k e s 的改进，完成了流 体流动基本方程的创建任务。流体流动理论是更加复杂的对流换热理论的必要前 提，1 9 0 9 和1 9 1 5 年wn u s s e l t 开辟了在无量纲数原则关系正确指导下，通过实验 研究对流换热问题的一种基本方法。1 9 0 4 年，l p r a n d t l 提出的对流边界层理论使 流动微分方程得到了简化，1 9 2 1 年e p o h l l l a u s e n 基于流动边界层理论引进了热边 界层的概念，为对流传热微分方程的理论求解建立了基础。在辐射传绱研究方面， 1 9 世纪j s t c f a n 根据实验确定了黑体辐射力正比于它的绝对温度的四次方的规律， 1 9 0 0 年m p l a n e k 提出的量子假说奠定了热辐射传熟理论基础。上述传热理论为传 热分析解析、数值以及实验研究奠定了理论基础。在近代，随着计算机技术的迅猛 发展，传热问腰在数值分析研究方面也取得了重大的进展 1 9 2 1 】。发动机的传热研究 是传热学中一个非常复杂的多维多相传熟问题，其中。燃烧室零件的传熟分析包括 了三个基本过程；其一是燃烧室工质的能量通过对流和辐射传递到燃烧宝零件燃气 侧表面；其= 是对流和辐射能量通过燃烧室零件的导热作用而传递到燃烧室零件的 4 冷却介质侧：其三是该部分能量通过对流和辐射传递给冷却介质，从而被冷却介质 带走。燃烧室零件的传热研究一直是传热学最重要的工程运用领域之一，并随着传 热学理论的不断完善而发展。 燃烧室零件的传热分析包括三种基本方法，即：解析分析法；数值分析技术； 实验测试方法。三种方法各有优缺点，解析分析法可以得到零件温度场的准确值( 假 设在求解传热问题时，能给出非常准确的边界条件) ，并且可以详细了解传热表达 式中各项参数对温度分布的影响。虽然解析分析法只能用于形状、边界条件以及材 料属性都很简单的零件，但是，该法在传热理论研究方面仍具有重要意义，传热机 理的研究一般都立足于解析法。早期的燃烧室零件传热分析中，由于分析技术受到 了数值分析技术和计算机技术发展的制约，工程师们将活塞顶面、气缸套以及气缸 盖假设成平板等形状物，采用解析法分析了发动机零件的传热过程。解析分析方法 虽然对燃烧室零件进行了很大程度的简化，但是，这种分析对燃烧室零件热负荷的 研究和发动机的设计仍然具有一定的指导意义。随着理论研究的不断深入，解析方 法正与数值方法一起，得到了空前的发展，特别是在对流传热、辐射传热等研究领 域，都产生了丰硕的成果 2 2 - 2 7 l ，但是，对于复杂的工程问题，如发动机燃烧室零件 系统的传热研究，解析方法的局限性限制了它在该领域中的广泛应用。 由于固体传热的分析过程同电路分析具有非常相似的特点，因此，电模拟技术 在传热分析中曾经有过广泛的应用。随着计算机技术的快速发展，有限元口8 ”l 和有 限差分数值分析技术被应用到零件的温度场分析中。在采用数值方法分析燃烧室零 件的传热过程时，最初建立的模型几乎都是一维和二维的 3 1 - 3 3 。对于一维分析模型， 有限元和有限差分法都可采用，但是，由于零件二维结构的复杂性，有限差分方法 不能很好地模拟零件复杂的物理边界以及边界条件，而有限元法由于其单元类型的 丰富多样性，克服了有限差分法的上述缺点，从而在固体的结构分析中逐渐占据了 统治地位，因此，活塞组、气缸套和气缸盖的多维数值分析( 包括温度场、应力及 应变场的分析过程) 大都采用了有限元数值分析技术。 发动机燃烧室零件二维数值分析模型有其局限性，首先，仅仅从传热分析的角 度上看，零件的二维传热分析模型虽然对物理结构进行了大量的简化，但是，求解 得到的二维温度场分布基本上反映了整个零件的实际温度场，同时。对于受到高温 冲刷的燃烧室零件燃气侧表面薄层，采用二维模型分析得到的热弹性动态应力对分 析燃烧室零件的热损伤仍然具有一定的指导意义 3 4 - 3 6 。但是，二维有限元模型的计 算结果存在以下典型缺点：不能反映三维结构的热应力以及综合结构应力分布，不 能被用于零件的结构应力分析；由于二维模型不能反映零件准确的三维结构和三维 边界条件，其传热分析结果带有很大的粗糙性；不能为缸内的流动和燃烧分析提供 准确的三维边界条件。特别是在低热损发动机以及高强化发动机的研究中发现，引 起燃烧室零件失效的主要原因是综合应力超出了应力极限，因此，求解燃烧室零件 系统的热应力以及综合结构应力成为发动机燃烧室零件结构分析的重要任务。并 且，随着计算机软件技术的发展，三维造型c a d 软件以及数值分析c a e 软件得到 了很大的发展 3 7 , 3 8 1 ；与此同时，计算机硬件技术，如计算机运行速度以及内外存空 间也得到了重大的突破，这些基础条件为发动机燃烧室零件的三维传热以及应力有 限元分析打下了重要的基础。在上世纪6 0 8 0 年代，出现了燃烧室零件三维分析的 高潮，在三维传热和应力分析中，对燃烧室零件的结构基本上没有进行太多的简化。 在三维零件传热分析结果的基础上，进行了零件的热应力分析、综合应力分析以及 三维零件的交形分析等【3 9 4 ”。这些分析极大的提高了发动机燃烧室零件及整个发动 机的设计质量，在发动机研发史上是一次飞跃。 在分析模型从一维发展到三维的同时，燃烧室零件传热分析的内容也得到不断 的充实。避行燃烧室零件传热分析时，一般只分析零件的稳态温度场 4 8 5 9 1 ，但是， 由于发动机强化程度的提高以及绝热发动机的使用，缸内燃气的剧烈冲刷作用变得 更加剧烈，这种作用体现在三个方面：工质温度和对流系数( 包括对流传热和辐射 传热) 的剧烈循环变化将导致燃烧室零件燃气侧表面产生剧烈的高频温度波动，这 种温度波动将在薄层内产生明显高于静态应力的准静态和动态热应力，这种高频应 力的反复作用是导致燃烧室零件失效的重要因素之- - 矧。但是，到目前为止，对于 燃烧室零件燃气侧表面薄层温度波动的数值研究还主要集中在二维模型中，对三维 燃烧室零件燃气铡周期性温度波动的数值模拟还较少，大量的研究集中在发动机瞬 态性能分析嗣l 和零件表面温度场的测试a t 6 3 - 6 9 ：燃烧室零件的另外一个重要的失 效形式是低频热疲劳损伤 7 0 , 7 1 】，即由发动机启动运行一停车以及迳行中的变负荷 或转速等瞬蠢工况下，热负荷的反复作用而造成的零件低周疲劳失效由于边界条 件和模型的复杂性，过渡工况传热分析也以实验研究为主 7 2 - 7 8 】，并且研究内容主要 集中在过渡工况期间，发动机的性能以及排放等 7 9 - 8 7 】；研究燃烧室零件在过渡工况 下的温度场的另一个重要目的是分析燃烧室零件燃气侧的热冲击问履 在燃烧宣零件的应力分析方面，目前一般只进行了稳态热弹性应力、准静态热 应力以及热弹性应力与机械应力迭加的分析 s 8 , 8 9 。在燃烧室零件非稳态热应力分析 方面，由于传热控制方程和结构控制方程的耦合关系，偏微分方程的求解非常困难 t g o ，目前为止，关于动态热应力的研究还比较有限，学者们【9 1 - 9 5 1 的主要工作集中在 热弹性或热弹塑性问题的泛函分析上，虽然关于动态热应力的分析在国际上还没有 取得重大的突破，热冲击问题的研究还没有在工程领域中展开，但是，部分研究成 果已经肯定了热冲击动态应力的存在及其对燃烧室零件燃气侧产生的破坏作用。国 内，研究者 9 6 - 9 8 采用轴对称模型，在假设的热冲击下( 不考虑热耦合项) 分析了活 塞顶面的动态热应力和准静态热应力问题，从分析中可以看出，动态热应力大大超 出了活塞材料的屈服极限。但是，到目前为止，还没有在三维模型上进行动态热应 力和准静态热应力的分析，除了建立有限元模型的困难性以外，计算量太大也是一 个重要的原因。 同时，鉴于固体传热研究中部分边界条件的不可确知性( 比如，发动机传热研 究中活塞组与气缸套接触表面的边界条件就无法事先确定) ，国内外目前的研究热 点集中在传热反问题方法的研究上【9 9 1 0 2 1 ，其中既包括解析方法，也包括数值计算方 法。同时，在零件传热的数值分析中，复杂传热模型、传热变分原理、新单元以及 新的数值计算方法的研究还在继续【1 0 3 1 。 因此，在燃烧室零件传热分析领域，随着计算技术和计算机技术的发展，分析 方法从单一的解析分析方法发展到数值分析方法占统治地位；而在燃烧室零件分析 模型上，模型从一维模型、二维模型发展到三维分析模型；温度场分析从稳态温度 场的分析发展到周期性瞬态以及过渡工况温度场分析：应力分析从静态热应力分析 发展到准静态应力甚至动态热应力的分析。上述研究都是基于发动机燃烧室单个零 件进行的，由于发动机整体传热仿真的需要，燃烧室零件正被作为一个整体系统在 进行研究。但是，缸内传热过程的复杂机理仍有待进一步的发展 1 0 4 。 1 3 耦合系统三维瞬态传热模拟概况 燃料燃烧释放出的能量的一部分将通过对流和辐射作用，通过燃烧室零件的导 热作用传给冷却介质。据统计，在传统的发动机中，从工质传给冷却系统的能量占 到燃油能量的1 0 3 0 左右，这部分能量中，大约4 9 通过活塞损失掉，约3 2 通 过气缸盖损失掉，1 9 通过气缸套传给了冷却介质【1 0 5 1 。因此，通过燃烧室零件而损 失的燃油能量在发动机中占有很大的比重，从上世纪7 0 年代初期开始，研究者们 希望通过在燃烧室零件燃气侧等离子喷涂高热阻的氧化锆等复合材料或者在燃烧 室零件燃气侧安装高热阻的氧化硅镶块等手段，尽量减少燃油能量通过燃烧室零件 的传热损失，以提高发动机的热效率，并同时省略或者简化发动机冷却系统的设计。 7 上述方法减少了通过燃烧室零件的热损，并希望能将传统发动机中通过燃烧室零件 的部分热损转化成为有用功，从而在上世纪下叶掀起了绝热发动机和低热损发动机 的研究高潮，进行了大量的绝热方案设计和实验研究【1 0 “1 6 1 。开发低热损发动机的 初衷从理论上看有以下优点：绝热机具有降低油耗、改善排放、可燃用多种燃料、 优化冷却系统的巨大潜力。对绝热发动机的研究一般采用了实验和理论相结合的方 法。 7 0 年代后，在美国、西欧和日本相继开始了绝热发动机的研发。m o r e l t 等【7 】 进行了燃烧室隔热的研究，其研究结果表明，可以将通过燃烧室壁面的传热减少 6 0 ，同时，发动机热效率改善6 左右。但是，a s s a n i s d n 等 1 1 8 的研究认为，即 使传热减少9 6 ，由于充气效率降低等原因，发动机效率的收益也不到1 。s h o i c h i f u r u h a m a 等t 1 0 9 l 采用高精度薄膜热偶测量了陶瓷绝热发动机壁面的传热过程，根据 测量的结果，只梅出了绝热发动机可以减少通过燃烧室壁面的传热损失，并可以简 化冷却系统和利用废气驱动增压设备的结论，对效率的提高没有得出结论。g e r h a r d w o s c h n i 等 5 1 1 】通过在单缸直喷绝热柴油机上的实验分析，得到的结论认为，采用燃 烧室壁面绝热的方法并不能改善燃油经济性。因此，在绝热发动机的研发上产生了 两种不同的意见。虽然对绝热发动机的研制存在两种不同的意见，但是，对绝热发 动机的研究一直没有停止过。 国际上关于绝热发动机研究的争论将决定绝热发动机的前途和命运，因此，在 绝热发动机的研究中急需发展更加精确的测量传感装置 1 1 9 , 1 2 0 l 和传热模拟模型，同 时，在绝热机研究中，复合材料的传热和强度研究、复合材料与金属基材料之间的 性能研究同样需要精确的传热分析模型。可以说正是绝热发动机的研究推动了发动 机传热全仿真模拟研究的发展7 1 。 上世纪8 0 年代以前，都是采用单件分析的方法来研究燃烧室零件的传热过程 并进而分析单个零件的热应力场，1 9 8 5 年m o r e l 工和e d w a r df f o r t 等f 1 1 7 】等率先采 用发动机传热垒仿真模型分析了几种发动机的绝热方案，将热力学循环程序旧】( 考 虑了气体流逭和湍流强度等) 与燃烧室热传导程序直接耦合起来分析了发动机在几 种绝热方案和绝热材料下，发动机性能以及零件系统的温度场分布。在这个分析模 型中，考虑到了燃气一壁面一冷却介质的复杂传热过程，建立了活塞组一润滑油膜 一气缸套一气缸盖系统三维周期性瞬态传热模型，该热阻网络模型虽然是一个二维 的粗糙分析模型，但是，早期的分析结果表明了发动机全仿真传热以及活塞组一润 滑油膜一气缸套耦合