微型摆动式能源动力系统的多维热流固耦合数值研究

发布时间：2024-03-02 00:40

　　随着科学技术的发展,便携化的机电设备应用广泛,需要更长的续航时间,常规的电池技术已经无法满足相应的要求。由于碳氢燃料的高能量密度,以及内燃机较高的能量转化效率,微型内燃机已经成为一个研究的重要方向,有望成为电池的替代能源。但是内燃机微型化后,随着尺寸的减小,流动、燃烧和传热的耦合规律复杂,尤其是传热增强,内部传热规律研究还不成熟。所以本文以微型摆动式发动机(MICSE)为研究对象,利用自编程序和商业软件对微型摆动式发动机工作进行多维热流固耦合数值仿真研究。根据MICSE的结构和工作过程,建立了MICSE多维热流固耦合仿真计算模型,得到了工质多维过程和机体的瞬态温度场分布规律。对于机体温度场的数值模拟表明,机体温度场的波动仅限于燃烧室壁面很浅的表层内,使用当量稳态计算代替瞬态计算是可行的。为了研究MICSE传热特性改变对材料的强度和干涉特性的影响,进一步建立了MICSE的热/结构耦合分析仿真模型。发现应该选取热扩散率更大,热膨胀系数更小和强度更高的材料,可以在外部做适当的散热和燃烧室壁面增加热障涂层以降低整体温度,保证MICSE的稳定运转和启动。基于建立的MICSE多维热流固耦合仿真计算...

【文章页数】：79 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
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第一章 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 微型内燃机的研究进展
        1.2.1 微型燃气涡轮发动机
        1.2.2 微型转子发动机
        1.2.3 微型摆动式发动机
        1.2.4 微型自由活塞发动机
    1.3 微型能源动力系统面临的科学问题
        1.3.1 微型能源动力系统中的流动模型及机理
        1.3.2 微型能源动力系统中的燃烧
        1.3.3 微能源动力系统中的热量传递
        1.3.4 内燃机热流固耦合研究研究进展
    1.4 本文的主要研究工作
    1.5 本文的内容安排
第二章 MICSE仿真计算模型
    2.1 MICSE的工作原理
        2.1.1 MICSE的结构设计
        2.1.2 MICSE的工作过程
    2.2 MICSE整体数值计算方法
    2.3 MICSE的热流固耦合计算模型
        2.3.1 设计参数与假设定义
        2.3.2 计算区域和网格划分
        2.3.3 动态网格理论基础
        2.3.4 计算数学方程
        2.3.5 边界条件及初始化条件
        2.3.6 求解方法的选择
    2.4 MICSE的机体温度场计算模型
        2.4.1 计算对象
        2.4.2 机体传热计算控制方程
        2.4.3 边界条件及初始化条件
    2.5 本章小结
第三章 MICSE多维热流固耦合计算
    3.1 MICSE的多维热流固耦合仿真计算方法
        3.1.1 工质多维过程计算方法
        3.1.2 固体温度场计算方法
        3.1.3 耦合计算结果
    3.2 MICSE的工质多维过程温度场计算
        3.2.1 压缩过程温度场变化
        3.2.2 燃烧与膨胀过程的温度场变化
        3.2.3 排气过程温度场变化
    3.3 MICSE固体温度场计算
    3.4 MICSE机体热/结构一体化分析
        3.4.1 计算对象
        3.4.2 材料属性
        3.4.3 边界条件和初值条件
        3.4.4 稳态工况下热/结构分析计算结果
        3.4.5 冷启动工况下热/结构分析计算结果
    3.5 本章小结
第四章 多尺寸MICSE的多维计算和传热规律
    4.1 MICSE多尺寸多维仿真计算
        4.1.1 计算对象
        4.1.2 尺寸的变化对MICSE整体运行过程的影响
        4.1.3 尺寸的变化对MICSE压缩进气的影响
        4.1.4 尺寸的变化对MICSE燃烧过程的影响
        4.1.5 尺寸的变化对MICSE膨胀过程的影响
        4.1.6 尺寸变化的多场耦合规律
    4.2 MICSE内部工质与壁面间传热规律
        4.2.1 内燃机Woschni瞬态换热经验公式
        4.2.2 多元非线性回归模型
        4.2.3 MICSE腔内瞬态换热经验公式
    4.3 本章小结
第五章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
参考文献
致谢
在学期间发表的学术论文以及科技成果



本文编号：3916064