第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
近年来，随着柴油机的不断发展，人们对柴油机的低排放和燃油经济性等方面的要求日趋提高。活塞作为柴油机最重要的零件之一，不仅受到机械载荷作用，其顶部还受到混合燃气循环加热作用，并且随着柴油机更新换代和新技术的运动，人们对对柴油机的要求越来越高，活塞也要承受极高的热负荷来满足人们的使用，因此对柴油机活塞进行有效的冷却是保证其能稳定可靠工作的前提[1，2]。为了满足环境需要、降低能源消耗和有害物质排放同时提高柴油机功率，柴油机工作时的功率、缸内爆发压力、进气量等参数都相对提高了很多，这不可避免的导致了柴油机需要承受更多的热量来满足使用要求，导致了活塞热负荷的提高[3，4]。
活塞作为柴油机工作中最主要的零件之一，同时也是柴油机中最易出现故障的零件。活塞顶部直接接触燃料温度较高，然后传递给活塞的其它部位，因此柴油机活塞承受的热负荷较大。活塞柴油机工作的稳定和使用寿命长短主要受其热负荷影响，所以需要对活塞进行有效的冷却，降低其温度。柴油机活塞材料大多数采用铝合金，其导热性能好，所以在较大温度梯度下，容易产生较大的热应力和热疲劳而造成活塞损坏。其次在活塞往复工作中，其承受周期性的冲击加热，导致温度过高而损坏。柴油机活塞因热负荷过高导致损坏，会出现一系列的问题，如气缸与活塞的胶着、材料强度下降导致的裙部翘曲拉缸、机油结焦导致活塞环卡死、顶面因温度过高导致烧蚀以及柴油机功率不足、油耗增大、有害排放物增加等现象[5，6]。活塞常见热负荷失效现象如图 1-1 所示。
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1.2 活塞主要冷却方式
为了保证柴油机稳定安全高效的工作，必须解决柴油机活塞温度过高问题，目前活塞采取的冷却方式主要有两类：无喷油冷却（空气自然冷却）、有喷油冷却。活塞工作时各个部分承受的热负荷有所不同。顶面直接与燃料接触，热负荷最高，当自然冷却时，其次活塞环及其环槽等区域承受了活塞传递过来的 60%-70%的热量。当采取内冷油腔的振荡冷却时，60%-70%的热量传递给了的内冷油腔[7，8]。目前，有喷油冷却常用的冷却方式有三种：自由喷射冷却、振荡冷却、带内冷油腔的振荡冷却。
1.2.1 自由喷射冷却
如图 1-2 所示为自由喷射冷却方法示意图。自由喷射冷却原理简单，通常采用在连杆小头或大头设置喷油嘴，或者在活塞底部安装喷油结构，冷却机油喷到活塞内腔顶部，带有其大部分热量，达到降低活塞温度的效果[11]。这种冷却方法由于机油与活塞内腔壁面接触时间短，限制较大，仅仅能使活塞顶部局部区域的降温效果较好，而活塞环等其它易受高温破坏的区域冷却效果较差，反而会使活塞内部会因冷却不均而产生更大的热应力，造成进一步损坏，因此这种冷却方式并未得到广泛应用。
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第 2 章 活塞冷却过程数值模拟的理论基础
2.1 活塞冷却分析的理论基础
在活塞的工作中，气缸中的燃料与空气混合燃烧，猛烈膨胀，产生爆发力，推动活塞做功。因此活塞顶部主要承受极其高的热负荷，随着活塞运动将温度传递给活塞环槽等区域，导致活塞温度局部偏高，影响活塞工作的稳定性与安全性。因此需要对活塞进行有效的冷却，降低活塞温度保证其安全稳定工作，而带内冷油腔的振荡冷却通过高速喷射的冷却机油大部分热量，达到冷却效果[6]。
计算流体力学是近代流体力学、数值数学和计算机科学结合的产物。其基本特征是数值模拟和计算机实验，在很大程度上替代耗资巨大的流体动力学实验设备在科学研究和工程技术上产生巨大影响。研究领域包括传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、涡轮机设计以及半导体设计等诸多工程领域。
CFD数值仿真软件包括Fluent前处理工具、Fluent模拟软件、后处理软件等[52]。
（1）Fluent前处理工具
Fluent 流体仿真之前需要对模型进行网格划分，常用的前处理有 Gambit 网格划分工具、ICEM CFD 网格划分工具、Workbench Meshing 网格划分平台等，本文主要用 ICEM CFD 划分网格，其具有以下优点：
1 直接几何接口，支持多种格式文件导入。
2 提供了强大的模型创建和修复工具。
3 几何小面无关性（Patch Independent）。导入 ICEM 时自动忽略了模型的几何模缺陷及多余的细小特征。
4 六面体网格技术。能够快速生成六面体网格为主以及结构化六面体网格的网格。
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2.2 湍流模型
湍流是一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动。当雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的湍流流场，一般来说管道内流体雷诺数 Re>4000 为湍流状态[52]。在活塞内冷油腔的振荡流动过程中，机油与壁面发生激烈的碰撞以及与机油之间碰撞掺混，产生气泡和漩涡流的运动。Fluent 数值模拟中常用的湍流模型有：标准 k-ε 模型、RNG k-ε 模型、Realizable k-ε 模型、SST k-ω 模型等[52]。
活塞内冷油腔的振荡冷却过程中，伴随着空气、机油、油气等多种流体流动与传热。但是在活塞油腔的换热上，冷却机油所带走的热量远大于其它形式的换热，所以本文主要考虑机油和活塞之间的换热，故将其它气体用空气所代替，另外不考虑两种流体间的相容性、两相之间换热、机油的蒸汽相。本文采用两相流来对油腔机油流动情况进行研究。
动网格技术既可以模拟由于流域边界运动引起流域形状随时间变化的流动又可以处理计算边界发生变形的问题。这种流动情况可以是一种指定的运动，比如以一定的线速度和角速度运动；也可指是一个未确定的运动即需要当前一时间步的计算结果确定。其运动边界可以是刚体运动、转动或平动，如往复直线运动的活塞、机翼的副翼在飞行时的运动。动网格的更新方法可用3种模型进行计算，即弹性光顺模型、动态分层模型和局部网格重构模型。
（1）弹性光顺模型：原则上弹簧顺模型适合任一网格体系，在处理非四面体网格区域问题时需要满足：①移动为单方向。②移动方向垂直边界两个条件。因此该模型有一定的局限性。在Fluent数值模拟中，该模型每一步计算网格节点都保持维持平衡状态，适合小位移和和小变形计算区域。
（2）动态分层模型（dynamic layering）：只是适用于直线或周期性变化边界。动态分层模型可以根据与运动的邻近的网格层的高度来决定增加或减少网格层数，有如下限制：与运动相邻网格必须为六面体网格、滑动网格交界面外的网格需被单面网格区域包围等。
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第 3 章 湍流模型对振荡冷却效果的影响研究 ...................................... 17
3.1 引言 ··························· 17
3.2 计算模型的建立 ·························· 17
第 4 章 闭式空腔振荡冷却流动和传热效果研究 ................................. 31
4.1 引言 ··························· 31
4.2 物理模型和网格模型 ······················· 31
第 5 章 开式内冷油腔振荡传热特性的研究 ...................................... 41
5.1 引言 ······················· 41
5.2 计算模型的建立 ····························· 41
第 5 章 开式内冷油腔振荡传热特性的研究
5.1 引言
随着柴油机要求越来越高，柴油机升功率不断增大，导致活塞所承受的热负荷也急剧增大，从而导致其更易出现故障，所以必须对活塞进行有效的冷却，降低活塞温度，保证其工作的可靠性。目前主要采用带内冷油腔的振荡冷却方式，通过在活塞头部布置的内冷油腔，冷却机油由进口喷入油腔，在活塞的工作中不断的循环往复冲击油腔壁面，从而把壁面的热量传递给机油，然后从出口流出达到降低活塞温度的效果。由于活塞内冷油腔结构复杂和及空间狭小等原因，本章主要采用建立合适的油腔模型方法对活塞开式内冷油腔进行流动仿真模拟，分析其传热特性。影响活塞强制振荡冷却的效果的因素有很多，如油腔的几何形状、位置、截面尺寸、机油填充率、转速、喷油速度等。本章主要对转速、冷却机油量、行程等因素对油腔传热特性研究。
目前，计算流体力学(CFD)逐渐成为研究活塞振荡冷却过程流动和传热特性的主要工具之一。通过数值模拟可以更加清晰观察活塞振荡流动过程中油腔内机油各个位置的流动状态和传热情况，分析冷却机油的及油腔壁面传热系数的变化规律。
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结论
本文以 Fluent 数值模拟为主，确定了最适宜模拟活塞振荡传热过程的湍流模型，研究了简化的矩形空腔和活塞内冷油腔内机油空气混合物的振荡流动过程和传热特性，得到了不同振荡频率和填充率对两相流流态形态和传热效果的影响，初步揭示了气液两相流的振荡传热机理。具体结论如下：
（1）分别采用三种湍流模型对活塞闭式空腔和开式内冷油腔内两相流的振荡流动与传热过程进行数值模拟，结果表明与 RNG k-ε 模型和 Realizable k-ε 模型相比，SST k-ω 模型下机油的流动形态与实际实验结果吻合最好，油腔的壁面平均传热系数最大，振荡冷却效果好，与实际情况最为接近。
（2）比较了矩形空腔起振阶段和充分振荡阶段流体流动形态的变化规律。另外，随着 f 的提高，气液两相流的传热效率提高；而 WFR 过大或过小都会导致传热效率降低，WFR 保持在 50%左右时，振荡传热的效果最佳。
（3）活塞内冷油腔中机油填充率均稳定在 40%-60%之间。当机油喷油量恒定时，随着转速的提高，油腔内机油填充率逐渐下降；当转速恒定时，随着喷油量和行程的提高，机油填充率逐渐升高，且升高的逐渐减小。
（4）当喷油量和行程恒定时，随着转速的提高，油腔壁面平均传热系数逐渐升高；当转速恒定时，随着喷油量和行程的提高，壁面平均传热系数逐渐增大，但增幅逐渐减少；机油填充率过高反而会导致壁面平均传热系数降低。
参考文献（略）