耦合法用于柴油机冷却系统传热的研究

在研究柴油机冷却系统的流动和传热问题时,边界条件的确定往往成为难点。该文将某六缸柴油机活塞-缸套-冷却液-机体组成一个固流耦合传热系统进行整体传热仿真计算,解决了单独研究固体部件和流体传热时无法确定其边界条件的问题;通过缸套内壁轴向一些试验测点温度的计算值与实测值对比,研究了网格对模拟计算精度的影响;在结合了计算资源与计算精度的条件下,仿真计算得到冷却系统温度场分布、流场分布、压力损失等信息,这些信息对柴油机的设计具有指导意义。     

翅片结构对航空活塞式风冷发动机缸体强度与传热性能的影响

航空活塞式风冷发动机由于结构紧凑、体积小、质量轻等优势,在通用航空、农业等领域得到广泛运用。针对航空活塞式风冷发动机热负荷问题,该研究以某水平对置四缸四冲程航空活塞风冷汽油机为研究对象,试验测试了标定功率工况下发动机缸内压力,结合缸压试验数据与风冷发动机缸体的结构与传热特性,搭建一维仿真模型,计算获得了缸内燃气侧边界条件。采用热电偶法测试了标定功率工况下缸体关键区域的工作温度,结合缸体温度测试数据与缸内各位置的温度和传热系数,建立流固耦合仿真模型。选择翅片厚度、翅片间距、翅片长度3个主要结构参数分析其对缸体结构强度及传热性能的影响。结果表明,翅片结构对缸体的强度及传热性能影响较大,翅片厚度增大使得温度最大下降19.8 ℃、应力最大下降33.0 MPa。以翅片厚度、翅片间距、翅片长度3个翅片主要结构参数为因素设计正交试验,计算结果表明,翅片长度变化对缸体温度影响最大;选取最优值优化后与原机相比温度最大下降18.2 ℃。翅片厚度对翅片强度影响最大,选取最优值优化后与原机相比热应力最大下降50.1 MPa。研究结果可为航空活塞风冷发动机散热翅片的设计与优化提供参考依据。     

考虑流固耦合作用旋转波纹管固有频率计算的有限元法

该文提出用有限元法计算考虑流固耦合作用的旋转波纹管的固有频率。将波纹管用两节点旋转锥壳单元离散化,单元之间以节点环相连接,将载荷和位移沿环向展开为傅立叶谐波级数,降低了计算维数,减少了计算自由度和计算机时。推导出考虑波纹管与管内流体动力耦合作用的旋转波纹管动力方程,计算出旋转波纹管的固有频率,可为工程中波纹管的动力设计提供理论依据。     

流固耦合对加筋土边坡力学行为影响的弹塑性分析

分析了在考虑地基土体中流体与固体耦合作用情况下加筋土边坡的力学行为,采用Biot固结理论说明了土体中流体与土体耦合作用的机理。通过数值计算比较了在考虑地基土体中流固耦合作用及不考虑流固耦合作用2种情况下,土体的侧向位移、沉降及筋材应变等特点,并与试验路的测试数据相比较。研究结果表明,考虑流固耦合作用的分析与实际情况更吻合。所以,在今后加筋土边坡的力学行为分析中,应尽可能计入流固耦合作用的影响,该研究成果对加筋土边坡的工程实际有一定的指导作用。     

考虑流固耦合的厚壁输水管水锤和振动特性分析

厚壁管对瞬变流具有很高的抗风险能力,在输水系统中得到了广泛的应用。为了研究厚壁管中流固耦合现象,该研究考虑轴向应力的缓冲效应,基于薄壁管流固耦合分析模型(薄壁模型),建立并提出了适用于厚壁管流固耦合一维模型(厚壁模型)。采用有限体积法对模型求解,压力振荡数值结果与已有的试验结果峰值相对误差低于4.5%,说明厚壁模型是可靠的。在此基础上,从压力振荡、波速及管道振动角度比较了2模型差异:薄壁模型和厚壁模型模拟波速与试验结果相对误差分别为4.6%和1.3%;相对薄壁模型结果,厚壁管模型显示压力振荡周期和幅值均增大,流体模态频率和结构模态频率分别为6.44和17.72 Hz。此外,当输水管道厚径比<0.05,厚壁模型仍具有一定可靠性。该模型扩展和改进了常用薄壁模型,使其同时适用于厚壁管及薄壁管流固耦合分析。     

流固耦合作用对离心泵内外特性的影响

应用双向流固耦合方法对导叶式离心泵的外特性和内流场进行分析,研究流固耦合作用对外特性影响的内流机理。流场的定常数值模拟采用雷诺时均方法和标准k-ε湍流模型,非定常数值模拟采用大涡模拟方法,结构响应采用线性瞬态动力学方程。通过对流固耦合前后内部流场的对比,包括叶轮出口处的总压分布和相对速度分布,分析了流固耦合作用对外特性预测值影响的内流机理。同时,对叶轮出口处的压力脉动进行了分析。结果表明,流固耦合作用产生的叶轮变形,尤其是叶轮出口处的较大变形是导致离心泵外特性预测值变化的主要原因。考虑流固耦合作用后,叶轮出口处压力脉动周期性变化的总体趋势与非流固耦合结果基本一致,但振幅更大。考虑流固耦合作用后的最大压力脉动幅值提高了3.1%。研究结果为离心泵性能预测及流动诱导振动的研究提供参考。     

聚碳酸酯材料的浓缩风能装置流固耦合分析

浓缩风能装置是浓缩风能型风力发电机的核心部分,其选材直接影响到浓缩风能型风力发电机的推广应用。该文应用流固耦合分析方法,采用CFD软件进行流场分析,对浓缩风能装置在特定风场下进行仿真模拟,得到了浓缩风能装置所处流场的风速和风压分布。将流场计算结果作为载荷加载到浓缩风能装置上,该装置在风中所受最大应力3.267 MPa,远小于拜耳makrolon 2407型聚碳酸酯的屈服应力66 MPa、断裂应力65 MPa以及弯曲强度98 MPa,因此该型号聚碳酸酯在强度上满足浓缩风能装置要求,可以替代目前所用材料冷轧钢板。该研究结果可为后期的结构改进和优化设计提供理论依据和参考。     

耙压式除草轮与水田土壤作用的流固耦合仿真分析及验证

为探明水稻机械除草过程中,除草轮的工作阻力大小变化及水田土壤的动态行为,该文利用ANSYS软件的显式动力分析模块LS-DYNA对耙压式除草轮在水田环境下的作业过程进行仿真分析。采用ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)多物质耦合算法建立了土壤-水两物质耦合有限元模型;运用流固耦合算法分析除草轮与土壤-水模型的相互作用过程。采用有交互作用的正交试验方法选取土壤种类、水层厚度和除草轮旋转速度3个因素进行仿真试验分析,得到各因素及其一级交互作用对除草轮和土壤-水模型的耦合应力和土壤扰动率的影响规律。利用多目标优化设计方法综合评判仿真试验结果,综合评分结果表明,在不同的土壤工作环境下,除草轮在水层厚度为60mm、转速为160r/min的作业条件下均可获得较优的工作性能。影响除草轮和土壤-水模型耦合应力的因素主次顺序为:土壤种类水层厚度土壤种类×水层厚度土壤种类×除草轮转速除草轮转速水层厚度×除草轮转速。影响土壤扰动率的因素主次顺序为:土壤种类除草轮转速土壤种类×水层厚度土壤种类×除草轮转速水层厚度水层厚度×除草轮转速。为验证仿真结果,进行了田间试验和土槽试验,根据仿真所得耦合应力值推导出除草轮所受土壤反作用力扭矩值,与田间实测值相对误差为8.84%;仿真所得土壤扰动率与土槽试验实测值相对误差为9.86%;仿真所得综合评分结果与试验综合评分结果相对误差为7.02%。仿真分析结果可为轻简式水稻除草机应用在不同稻区的田间作业参数提供参考。     

压差式管道机器人柔性多体系统流固耦合模型构建

流体驱动下压差式管道机器人的运动属于复杂的流固耦合动力学问题,通过数值模拟方法分析机器人的动力响应,评估机器人在管道内的巡线能力具有重要的工程意义。该文基于耦合的欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-Lagrangian,CEL）方法,构建了机器人柔性多体系统的流固耦合动力学模型,以平均驱动压差、平均摩擦力和密封皮碗的米塞斯应力峰值为指标,评价机器人对管道环境的适应性。数值模拟结果表明,与3舱段管道机器人相比,5舱段管道机器人的平均速度和速度波动幅值分别降低5.3%和18.6%,但是平均驱动压差、摩擦力和峰值米塞斯应力分别增加了56.9%、95.7%和42.0%。由此,随着舱段数增加,密封皮碗的变形进一步增加,流体需提供更大的驱动压差克服摩擦力作用,但机器人系统的速度平稳性有所提高。3舱段和5舱段机器人在管道焊瘤高度20 mm、弯道角度90°、弯道曲率半径300 mm时的平均摩擦力、平均驱动压差以及密封皮碗的米塞斯应力峰值均达到最大值：3舱段机器人分别为0.98 MPa、10.61 kN和28.30 MPa,5舱段机器人分别为0.63 MPa、5.64 kN和24.16 MPa。因此,与3舱段机器人相比,在弯道与焊瘤约束的联合作用下,5舱段机器人需要消耗更多的流体压力能克服管道的约束阻力;更高的摩擦力将使密封皮碗磨损加速,削弱密封性能,而更高的米塞斯应力峰值也将增加密封皮碗的脆性断裂风险,导致5舱段机器人对于管道环境的适应性弱于3舱段机器人。研究结果可为管道机器人的巡线能力评价和设计优化提供参考。     

有机玻璃材料的浓缩风能装置流固耦合分析

用于制造浓缩风能装置的材料直接影响浓缩风能型风力发电机的推广及应用。该文通过流固耦合分析方法,对有机玻璃用于制造浓缩风能装置的可能性进行分析。采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)软件对浓缩风能装置在特定风场下进行仿真模拟,得到了不同温度下浓缩风能装置所处流场的风速和风压分布。将不同温度下的流场计算风压分布结果作为载荷加载到对应温度下的浓缩风能装置上,得到该装置在不同温度下所受最大应力。这些不同温度下的最大应力均远小于有机玻璃在对应温度下的断裂应力,如温度为293.15 K时该装置所受最大应力为1.5378 MPa,而该温度下有机玻璃的断裂应力为71.704 MPa,因此有机玻璃在强度上满足浓缩风能装置要求,可以用于制造浓缩风能装置。当选择泊松比、杨氏模量和断裂应力均随温度发生变化的材料作为流体机械备选材料时,该研究过程可以为其可行性研究提供参考。     

交变磁场下磁纳米流冷却液强化柴油机缸盖微区域冷却

为能实现柴油机缸盖鼻梁微区域高效冷却兼顾节能化的要求,该文提出了一种通过外部施加交变磁场的方式促进磁纳米流内粒子的微运动达到强化传热的方法,并与传统乙二醇冷却液、Cu-乙二醇纳米流冷却液进行了柴油机缸盖鼻梁微区域传热效果的对比研究。结果表明:在0.17 Hz的磁场交变频率影响下,磁纳米流中加热棒温度值最大下降幅度提升了29.3%,内部粒子运动涡数增加。缸盖鼻梁微区域试验表明:相比传统乙二醇冷却液,稳态工况下,最大扭矩工况点和标定工况点处测点温度值最大下降幅度分别约为12%、14.4%,外特性工况下测点平均温度值降幅为23.7℃,约为9.4%。瞬态工况测试结果表明,采用交变磁场影响下的磁纳米流冷却液,柴油机预热时间较采用传统乙二醇冷却液和Cu-乙二醇纳米流冷却液分别缩短了9.8%和8.2%,柴油机急加速工况下能保持冷却液温度波动性小。能耗率计算结果表明,采用外部施加交变磁场加强磁纳米流冷却液高效传热的方式在达到相同冷却液温度时,可实现节能幅度为7.2%。该研究为柴油机乃至其他高温部件的节能化高效冷却提供科学参考。     

太阳能电池冷却用微通道散热器内纳米流体换热特性

该文基于螺旋式微通道散热器,采用Mixture模型对菲涅尔高倍聚光下纳米流体冷却工质的换热特性进行了研究,并引入强化传热因子η来判定冷却工质的换热能效,结果表明:雷诺数相同时,与蒸馏水相比,Al_2O_3-H_2O和Si O2-H_2O纳米流体具有更高的对流换热系数,并且Al_2O_3-H_2O的传热特性要优于SiO_2-H_2O;纳米流体的强化传热因子随着入口流速的增大呈先升高后降低的趋势,当入口流速为0.82 m/s时,强化传热因子达到最大值,但质量分数为5%的Al_2O_3-H_2O纳米流体的强化换热因子与流体的入口速度成正比,且当流体速度小于0.68 m/s时,其强化传热因子高于其他3种纳米流体;Al_2O_3-H_2O纳米流体的换热特性随着纳米粒子粒径的增加而降低,随着质量分数的增加呈先增后降的二次曲线趋势,当质量分数为5.5%时换热特性最强,该研究为纳米流体在高倍聚光砷化镓太阳能电池冷却方面提供理论参考。     

生物炭二级循环折流式冷却中试系统的设计与试验

针对热解炭化后生物炭温度高、冷却慢、余热难以回收等导致热解生产周期长、生物炭热能利用率低的问题,该文采用固-液间接换热原理,设计了循环水二级折流式冷却换热装置并开发了生物炭二级循环冷却中试系统,并对不同生物炭在不同水流量、转速条件下开展试验,试验结果表明,采用该系统后出口生物炭平均温度为30℃,能够满足冷却要求。进出口生物炭温差随水流量的增大而增大,当螺旋轴转速为5 r/min,水流量分别为8、6.5、4 m3/h时,进出口生物炭温差分别为272、242、222℃。水流量固定为6.5 m3/h,螺旋轴转速为25 r/min时,生物炭出炭温度为40℃,而转速降低为5 r/min时,出炭温度降低到25℃;不同生物炭综合传热系数不同,玉米秸秆生物炭冷却时达到最大为100.6 W/(m2·K)。该研究中冷却系统能够与热解炭化设备相匹配,并且满足生物炭连续冷却的需求,可以开展不同生物质炭的冷却试验。     

纳米流冷却液射流方式强化缸盖局部冷却的试验分析

为解决柴油机缸盖高热密度区域的冷却问题,本文采用射流方式的纳米流对其进行强化冷却 。通过配置不同体积比的Cu、MgO、Al2O3纳米流,对自制的带有射流装置的柴油机缸盖进行传热性能对比研究。结果表明,与传统冷却液水相比,射流方式下3种纳米流冷却液均能不同程度地提升缸盖高热密度区域的传热性能,局部最大增加比率超过110%;在体积比≤2%时,3种纳米流冷却液射流传热系数都呈现出随粒子浓度的增加而增加的趋势,但随浓度的进一步增加反而降低;3种纳米流冷却液的射流传热系数随射流速度的增加而增加,但MgO纳米流在低射流速度下的射流传热系数最小,甚至比传统冷却液低2%～4%;3种纳米流冷却液的射流传热系数随射流高度的增加而增加,但射流高度过高会减小射流传热系数;随射流角度的增加射流传热系数也增加,射流角度的降低不仅降低射流传热系数还会加重测试点温度不一致的现象,过低射流角度时测试点温度值最大差距近30℃;射流传热系数随射流初始温度的增加而增加,但65℃之后,传热系数则随着射流初始温度的升高而下降;随着粒子浓度增高,电动泵消耗功率随之增加,本试验最大功率损耗为115 W。本文的研究成果是一种柴油机冷却技术的应用基础研究,可为实现缸盖局部高热密度区域的良好散热提供一种新的科研思路。     

红壤中水热耦合转化的实验和数值模拟研究

Coupled transfer of soil water and heat in closed columns of homogeneous red soil was studied under laboratory conditions.A coupled model was constructed using soil physical theory,empirical equations and experimental data to predict the coupled transfer.The results show that transport of soil water was affected by temperaature gradient,and the largest net water transport was found in the soil column with initial water content of 0.148m^3m^-3,At the same time,temperature changes with the transport of soil water was in a nonlinear shape as heat parameters wre function of water content,and the changes of temperature were positively correlated with the net amount of water transported.Numerical modelling results show that the predicted values of temperature distribution were close to the observed values,while the predicted values of water content exhibited limited deviation at both ends of the soil column due to the slight temperature changes at both ends .It WAS indicated that the model proposed here was applicable.     

球形食品真空冷却过程中参数分析

建立了描述球形食品在真空冷却中传热、传质的数学模型。通过数值求解得到真空压力、产品质量、产品温度(表面温度、中心温度、质量平均温度)随时间的变化曲线。实验装置中高精度的数据采集系统能够在线测定和记录真空室压力、产品质量、产品不同位置的温度随时间的变化。在春收甘蓝的真空冷却实验中,模拟的压力和实测的压力在10000～600 Pa的降压过程中最大相差100 Pa;模拟值和实测值间温度的最大差值小于1℃;真空冷却中,模拟的甘蓝的水分损失率是3.32%,实测的甘蓝水分损失率是2.97%,相差0.35%。研究结果对     

农业基站室外自然冷能微热管阵列式空冷器性能

针对农业生产服务基站内通讯及储备电源等设施发热量高的问题,该文设计了一种基于微热管阵列的室外空冷器,在北方冬季及过渡季节利用自然冷能对通讯基站散热降温,节能降耗。利用多功能气候实验室模拟不同的室外环境温度,对空冷器在不同流程(顺流和逆流)和不同温度及流量下的换热性能、温度分布、?效率及阻力特性等进行分析。结果表明:逆流式空冷器的换热性能相较于顺流式提升了16.9%。微热管阵列传热单元具有优良的导热性能和均温性能。试验过程中空冷器最大换热量为7.5 kW,空气流动的平均压降为164.9 Pa,水循环管路平均压降为7.96 kPa,?效率最高为38.8%,相较于常规冷却塔,微热管阵列式空冷器适用环境温度范围广且阻力较小。与平直翅片的板翅换热器的流动特性与阻力特性对比结果表明,本文锯齿形翅片的空冷器综合性能提升了36.1%。研究结果可为微热管阵列式空冷器在农业基站的应用提供参考。     

柴油机活塞二阶运动对内冷油腔机油振荡流动与传热的影响

柴油机活塞的二阶运动不仅影响活塞侧击力、摩擦磨损、机油耗和漏气量,而且还对活塞内冷油腔内机油的振荡流动与传热性能产生影响。在活塞动力学与运动学分析的基础上,结合活塞内冷油腔内的振荡传热性能模拟试验结果,采用计算流体力学仿真方法,建立了包含往复运动与二阶运动的计算流体力学仿真模型,研究了活塞二阶运动对内冷油腔内机油的振荡流动与传热性能的影响规律。研究结果发现,二阶运动的径向运动主要影响内冷油腔中机油的振荡流动,偏摆运动主要影响内冷油腔的瞬时换热性能。二阶运动使内冷油腔的瞬时充油率降低,循环平均降低4.6%。对油腔壁面的瞬时换热性能影响很大,最大的变化幅值为24.9%。对于整个换热过程,虽然充油率降低,但平均换热系数变化不大。因此,二阶运动对内冷油腔综合换热性能的影响可以忽略不计。该研究可为耐高温高强度铝合金活塞的设计提供理论和技术参考。