活塞热边界条.doc

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高而下降的特性，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180℃～250(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、弹簧触点装置、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。 热敏电阻法 金属的电阻随温度的改变而变化。 零件表面温度 接下页 负温度系数半导体热敏电阻的使用受到允许的最高耐久温度的限制。 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、精度高。 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： 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； 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 （mm） 冲程 (mm) 最高燃气压力 (MPa) 冷却水平均温度 (℃) 压缩比 150 160 16 99.5～10513.5 燃烧室容积 （） 径长比 平均有效压力 （bar） 机油温度 (℃) 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 （3-1） 式中 ——修正系数； ——平均有效压力（bar）； n——内燃机转速（r/min）； ——几何特征尺寸 代入表3-3中的参数，=542.3 （3-2） 式中 ——修正系数； ——额定功率（kW）； ——活塞顶投影面积（m2）； ——进气温度（K）。 代入表3-3中的参数，=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