基于流固耦合的发动机活塞热动力学分析

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1、分类号：密级：UDC：编号：专业硕士学位论文（工程硕士）基于流固耦合的发动机活塞热动力学分析硕士研究生：李煜指导教师：于俊卫教授企业导师：赵一刚研究员工程领域：航天工程学位论文主审人：顾璇副教授哈尔滨工程大学2018年6月分类号：密级：UDC：编号：专业硕士学位论文（工程硕士）基于流固耦合的发动机活塞热动力学分析硕士研究生：李煜指导教师：于俊卫教授学位级别：工程硕士工程领域：航天工程所在单位：航天与建筑工程学院论文提交日期：2018年5月7日论文答辩日期：2018年6月4日学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheProfe

2、ssionalDegreeofMasterThermodynamicanalysisofenginepistonbasedonfluid-solidcouplingCandidate:LiYuSupervisor:Prof.YuJunweiAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringEngineeringField:AerospaceEngineeringDateofSubmission:May7,2018DateofOralExamination:June4,2018University:HarbinEngineeringUniversity哈尔

3、滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者(签字)：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学

4、将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文(□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后)由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者(签字)：导师(签字)：日期：年月日年月日基于流固耦合的发动机活塞热动力学分析摘要活塞是水下航行器发动机的重要组成部件，在运行过程中，活塞顶面经受着高温高压燃气的反复冲刷，高温的热载荷促使活塞产生热膨胀变形，压力载荷使活塞产生机械变形，必然会

5、影响发动机的安全性和稳定性，因而对活塞整体的强度计算分析显得尤为重要，避免活塞出现裂纹及断裂情况，保证发动机的正常运行。目前对发动机活塞强度的研究大部分是基于循环平均载荷计算得到变形及应力，而忽略了活塞顶面压力场和温度场的不均匀性，必然对计算结果造成不可忽略的影响。本文以某型水下航行体热动力活塞式凸轮发动机为研究对象，利用FLUENT对缸内的流场进行计算，通过Workbench基于流固耦合原理计算分析活塞的整体温度场以及活塞的变形及应力。本文以某型水下航行器活塞式凸轮发动机结构参数建立进排气以及缸内做功的数学模型，选择合适的壁面传热模型，通过MATLAB数值仿真得到发动机的性能指标及缸内压力

6、和温度随转角的变化关系；根据阀体、阀座以及气缸的运动特征建立计算所需的流体域模型，利用SIMPLEC速度压力耦合算法，选择k−ε湍流模型，采用二阶迎风格式，通过有限体积法计算缸内流体的流动状态及变化规律，分析得到活塞顶面的对流换热系数及压力场；对活塞温度场和强度进行计算时，分别采用循环平均法和流固耦合法，分析活塞的温度场和热流密度的变化规律，进而分析研究了在温度载荷、机械载荷以及两者耦合作用下的总变形量分布、轴向、径向变形量分布以及等效应力分布。通过计算分析发现：适用于水下航行体热动力的活塞式发动机的缸内壁面传热模型为Woschini公式，并且零维仿真及流场的数值模拟均能够准确计算出发动机的

7、性能参数；缸内的流场复杂，在进气阶段，缸内压力和温度、活塞顶面的压力及换热系数，均较大，并且存在较大的梯度，随着曲轴转角的变化逐渐减小并趋于均匀；基于循环平均法时，活塞顶面温度最大，沿轴向逐渐减小，由热载荷引起的变形在顶面最大，机械载荷下的最大变形出现在顶面靠近导向槽一侧的边缘处，最大值等效应力在滚轮轴孔上端面；考虑流固耦合的作用时，不均匀的对流换热系数产生了不均匀的温度场，活塞的热变形沿径向指向气缸分布圆中