柴油机增压中冷器数值模拟与设计.wps
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1、湖湖 南南 涉涉 外外 经经 济济 学学 院院本科毕业论文(设计)本科毕业论文(设计)题目柴油机增压中冷器数值模拟与设计作者 学院机械工程学院专业材料成型与控制工程学号200800000000指导教师二一三 年 四 月 三十 日湖南涉外经济学院湖南涉外经济学院毕业论文(设计)任务书毕业论文(设计)任务书学生姓名:学号:200900000000 专业班级:材料成型与控制工程 2009*班 毕业论文(设计)题目:柴油机增压中冷器数值模拟与设计 题目类型1:工程设计 毕业论文(设计)时间:自 2012 年 11 月 1 日开始至 2013 年 5 月 20 日止1.毕业论文(设计)内容要求:在阐述中
2、冷器类型、结构中,介绍了高效换热器、板翅式换热器的结构原理。对东风朝柴 CY4100ZLQ 增压发动机估算出增压后温度、空气质量流量及增压比,计算出了增压空气在中冷器处的进口流量及进口温度。然后再根据风扇所产生的冷空气流量,环境温度及中冷器出口温度,计算出中冷器需要散失的热量,再去确定中冷器的传热系数,同时对压力损失、增压温度、散热面积进行校核。用 Proe 软件绘制出设计的中冷器零件图,利用 CFD 商业软件 Fluent 中的前置处理器 Gambit 对该中冷器网格划分、边界条件定义,再导入 Fluent 进行边界条件设定、模拟计算和结果分析,最后确定中冷器优化的方向及优化措施。本设计要求
3、在学院统一规定的时间内完成模具总装配图和主要零件图的工程图绘制,完成模具的三维爆炸图制作并撰写 1.5 万字以上的计算说明书,完成 1500 单词以上的专业外文资料翻译(英译中),并通过毕业答辩。1题目类型:(1)理论研究(2)实验研究(3)工程设计(4)工程技术研究(5)软件开发2.主要参考资料1张峰,高东顺.柴油机中冷器结构与设计.内燃机车,2012 年 2 月 第 2 期(总第 336 期)2崔洪江,史双人吉,刘俊杰,李明海.DF4c 型机车中冷器 CFD 性能仿真分析.内燃机车,2011 年 4 月 第 4 期(总第 446 期)3刘云岗,李德钢,张锡朝,张济勇.冷轧翅片管式中冷器的设
4、计计算方法.内燃机学报J.2013 年第 21 卷第 5 期 4刘晓丽,徐宇工,王凯.空_空热管式中冷器设计及热力性能实验研究.现代车用动力,2010 年 5 月第 2 期(总第 138 期)5周龙保.内燃机学.北京:机械工业出版社.2015 6陈红.汽油机废气涡轮增压技术的研究及发展前景.内燃机.2011 年 2 月 7王应红,郑国璋.废气涡轮增压与发动机匹配的理论计算研究.内燃机.2012(2)8杨世铭,陶文铨.传热学 高等教育出版社 2011 9李国样,李 娜,张锡朝.气一气中冷器内湍流特征的试验研究.内 燃 机工程.第23 卷(2012)第 5 期 10柴油机设计手册编辑委员会.柴油机
5、设计手册(中册).北京:中国农业出版 社,2010.123.毕业论文(设计)进度安排阶段阶 段 内 容起止时间1熟悉设计任务,查阅与收集资料,撰写开题报告2012.11.012012.11.302完成开题工作,进一步收集资料,撰写详细的提纲,完成总体方案设计和部分设计计算2012.12.012013.01.153利用寒假,完成设计计算和系统结构设计2013.01.162013.02.204完成所有工程图纸的绘制和设计说明书写作2013.02.212013.04.105修改设计计算说明书,修改图纸,完成所有材料(图纸打印和说明书等)的初稿并上交指导教师2013.04.102013.04.206指
6、导教师指导学生集中修改论文(设计),4 月 28 日以前定稿2013.04.202013.04.287指导教师和评阅教师分别完成本科毕业论文(设计)的评阅与评分2013.04.292013.05.058毕业论文(设计)的答辩以及答辩以后必要的修改工作2013.05.052013.05.20指 导 教 师(签 章):_ 日期:_系(教研室)主任(签章):_ 日期:_二级学院院长(签章):_ 日期:_注:任务书由指导教师本人填写,经教研室主任(学术小组组长)审核后下发给学生。湖南涉外经济学院湖南涉外经济学院毕业论文(设计)指导教师评语毕业论文(设计)指导教师评语建议成绩:指导教师:年 月 日湖南涉
7、外经济学院湖南涉外经济学院毕业论文(设计)评阅教师评语毕业论文(设计)评阅教师评语建议成绩:评阅教师:年 月 日湖南涉外经济学院湖南涉外经济学院毕业论文(设计)答辩记录毕业论文(设计)答辩记录日期:2013 年 5 月 13 日 学生姓名:学号:20090000000000 专业班级:材料成型与控制工程*班 题目:柴油机增压中冷器数值模拟与设计毕业论文(设计)答辩委员会(小组)意见:答辩成绩:评定等级:答辩委员会(小组)负责人:委员(小组成员):二级学院审查意见:论文(设计)最终评定等级:_ 负责人:_年_月_日湖南涉外经济学院本科生毕业论文(设计)柴油机增压中冷器数值模拟与设计柴油机增压中冷
8、器数值模拟与设计摘要:摘要:在阐述中冷器类型、结构中,介绍了高效换热器、板翅式换热器的结构原理。对东风朝柴 CY4100ZLQ 增压发动机估算出增压后温度、空气质量流量及增压比,计算出了增压空气在中冷器处的进口流量及进口温度。然后再根据风扇所产生的冷空气流量,环境温度及中冷器出口温度,计算出中冷器需要散失的热量,再去确定中冷器的传热系数,同时对压力损失、增压温度、散热面积进行校核。用 Proe 软件绘制出设计的中冷器零件图,利用 CFD 商业软件 Fluent中的前置处理器 Gambit 对该中冷器网格划分、边界条件定义,再导入 Fluent 进行边界条件设定、模拟计算和结果分析,最后确定中冷
9、器优化的方向及优化措施。关键词:关键词:CFD 技术;柴油机;冷器数值模拟;设计目目 录录摘要:.1摘要:.1湖南涉外经济学院本科生毕业论文(设计)关键词:.1关键词:.11 绪论.21 绪论.21.1 课题背景.22 柴油机中冷器简介.42 柴油机中冷器简介.42.1 柴油机中冷器的类型和结构.42.1.1 柴油机中冷器的类型.42.1.2 柴油机中冷器的结构.53 中冷器的设计计算.93 中冷器的设计计算.93.1 中冷器结构参数及使用工况.93.2 中冷器参数计算.103.2.1 中冷胎冷侧散热面积 F 的计算.103.2.2 发动机要求的热侧空气流.103.2.3 中冷器的迎风面积.1
10、14 柴油机中冷器的 CFD 模拟优化.114 柴油机中冷器的 CFD 模拟优化.114.1 CFD 技术在管翅式换热器设计开发方面的优越性.124.2 管翅式中冷器的 CFD 设计.124.2.1 中冷器的建模.124.2.2 网格划分.134.3 结果分析.15结论.15结论.15参考文献.16参考文献.16致谢.17致谢.17湖南涉外经济学院本科生毕业论文(设计)1 绪论绪论1.1 课题背景课题背景 随着汽车节能环保政策法规的深入推行,发动机清洁燃烧与尾气净化技术不断进步,其中增压中冷技术逐渐成为业界的热点 社会在发展,汽车等行业也在飞速发展,内燃机的社会保有量也在不断增加,其排放威胁人
11、类身体健康越来越受到人们的关注。在人口十分密集的城市,汽车排放对人类将带来很大危害。世界各国相继推出日益严格的的排放法规来控制汽车尾气对大气环境的污染,特别哥本哈根会议之后,对汽车排放要求更加严格。为了满足最新的排放法规要求,是发动机能够降低排放污染物,人们提出了多种方案。而其中涡轮增压器加器(即增压中冷系统)的方案一方面可以进一步提高内燃机进气管内气体的密度,提高内燃机的功率输出;另一方面还可以降低内燃机压缩始点的温度和整个循环的平均温度,从而降低内燃机的排气温度、热负荷以及 NOx 的排放,如图 1-1。图 1-1 涡轮增压中冷系统对于增压柴油机当增压压力较高时往往需要对进气进行冷却,因为
12、增压的作用在于提高发动机的进气密度,从而加大喷入的燃料以提高平均有效压力。但随着增压比的增加,压气机出口空气温度也随之升高,因而在一定程度上限制了充气密度的提高。所以中冷后进气温度对柴油机的燃烧过程及排放性能有显著的影响。而且对进气进行增压还可以是柴油机在排量不变、质量增加不大的情况下达湖南涉外经济学院本科生毕业论文(设计)到增大输出功率的目的,通过合理匹配设计,还可以有效地改善内燃机的排放性能。但随着增压强度的增加,进气温度的显著升高阻碍了内燃机性能的进一步改善。实验结果表明,在相同的空燃比条件下,增压空气温度每下降 10 摄氏度,它的密度约增大 3%,当空气燃烧消耗率都保持不变时,柴油机输
13、出功率可以提高 3%5%。不仅如此,柴油机效率也随着增压空气温度下降而上升,同时还能降低排放中的污染物,改善发动机的低速性能。因此,增压柴油机中通常采用中间冷却技术(以下简称中冷技术)。它不但可以提高发动机的功率,而且还可以降低发动机的热负荷和排气温度,用以达到降低增压柴油机排放降低的目的。综合来看,使用中冷器的必要性如下。1、增加功率;2、减少燃油消耗;3、减少热负荷;4、减少粉尘;5、减少 NOx 的排放;6、国家法律要求;7、减少爆震(用于点火发动机)正是由于增压中冷系统的应用,柴油机在车用领域特别是轻型车方面得到了越来越大的应用。因此,中冷器作为将增压后的空气在进入气缸前进行冷却的装置
14、,是增压柴油机正常运转不可缺少的一部分。对于中冷器的结构设计,散热效率的研究及其研究方法成为一个十分重要的课题。正是由于增压中冷系统的应用,柴油机在车用领域特别是轻型车方面得到了越来越大的应用。因此,中冷器作为将增压后的空气在进入气缸前进行冷却的装置,是增压柴油机正常运转不可缺少的一部分。对于中冷器的结构设计,散热效率的研究及其研究方法成为一个十分重要的课题。柴油机中冷器管路设计原则:1、中冷系统管路布置应简洁,尽量减少方向的改变。2、管路应设固定装置。3、不能使用橡胶弯头来改变方向,因为它会被高压进气吹脱落。柴油机中冷器的设计要求主要是:湖南涉外经济学院本科生毕业论文(设计)1、结构简单、紧
15、凑2、工作可靠、成本低;3、提高中冷器的换热能力;4、减少中冷器的流动阻力,以减少中冷器的动力损失。以上目标和要求是相互影响和制约的。因此我们在设计中冷器之前,必须首先要明确要达到的主要目标和任务,然后通过选择、比较确定一种合适的方案。在研究、设计过程中,应用 CFD(Computational fluid dynamics)技术虚拟设计、计算中冷器的流通特性和换热效果,并进行仿真分析,将为今后的中冷器开发、设计寻找出一种切实可行的方法。2 柴油机中冷器简介柴油机中冷器简介 柴油机中冷器本质上是热交换器的一种。它作为增压柴油机不可缺少的部分,对从增压器流出的压缩空气进行冷却,进而提高进入柴油机
16、的新鲜空气的密度,增大柴油机的进气量,提高柴油机的功率,降低污染物的排放。在实际应用中,其类型和结构差别很大。2.1 柴油机中冷器的类型和结构柴油机中冷器的类型和结构 2.1.1 柴油机中冷器的类型柴油机中冷器的类型 柴油机中冷器的类型有很多分类,目前增压柴油机的中冷器大都采用错流外冷间壁式冷却方式。我们根据其冷却介质的不同,有水冷式和风冷式中冷器两大类。1、水冷式中冷器 水冷式中冷器就是用冷却水来冷却热的压缩空气,水冷式冷却的中冷器根据冷却水系的不同我们可以分为两种方式。(1)柴油机冷却系的冷却水冷却 增压柴油机采用这种冷却方式不需要另设水路,结构非常简单。柴油机冷却水的温度较高,在低负荷时
17、可对增压空气进行加热,有利于提高低负荷时的燃烧性能;但在高负荷时对增压空气的冷却效果较差。因此,这种方式只能用于增压度不大的增压中冷柴油机中。湖南涉外经济学院本科生毕业论文(设计)(2)柴油机两套独立的冷却水冷却 这种柴油机中冷系统有两套独立的冷却水系,高温冷却水系用来冷却发动 机,低温冷却水系主要用于机油冷却器和中冷器的冷却。这种冷却方式冷却效果最好,因此在内燃机车用、船用和固定用途柴油机中普遍应用。2、风冷式中冷器 风冷式中冷器是利用自然空气作为冷却介质来冷却热的压缩空气。风冷式冷却中冷器根据驱动冷却风扇的动力不同分为以下两种方式。(1)用柴油机曲轴驱动风扇 这种方式适用于汽车用柴油机,把
18、中冷器设置在冷却水箱前面,用柴油机曲轴驱动冷却风扇和汽车行驶时的迎风同时冷却中冷器和水箱。车用发动机的中冷器普遍采用这种方式。但是在低负荷时易出现过冷现象。(2)压缩空气涡轮驱动风扇 压缩空气涡轮驱动风扇这种中冷系统由压气机分出一小股气流驱动一个涡轮,用涡轮带动风扇冷却中冷器,由于驱动涡轮的气流流量有限,涡轮做功较少,风扇提供的冷却风量较少,显然其冷却效果较差。由于增压压力随负荷变化,因此这种冷却方式的冷却风量也随负荷变化,低负荷时风量小,高负荷时风量大,有利于兼顾不同的负荷时的燃烧性能。且其尺寸小,在车上也安装方便。2.1.2 柴油机中冷器的结构柴油机中冷器的结构 1、水冷式中冷器的结构 目
19、前普遍使用的水冷式中冷器采用管片式结构。管片式中冷器是在许多冷却水管上套上一层层的散热片,经锡钎焊或堆锡焊焊接在一起。由俄罗斯引进技术的冷轧翅片管式中冷器由于具有使用可靠性、传热系数大等的优点,也开始受到重视。在柴油机增压中冷系统同得到了很大的认可和应用。(1)管片式中冷器 管片式中冷器是在许多水管上套上一层层的散热片,经锡铅焊焊接在一起。冷却水管和散热片采用紫铜或黄铜制造。水管的排列有叉排和顺排两种,水管截面的形状有圆形、椭圆形、扁管形、滴形和流线型等。其中圆管工艺性和可靠性较好,但空气的流通阻力较大,使空气压力损失较大。滴形和流线形管虽然空气阻力较少,但由于工艺性和可靠性差,目前很少使用。
20、椭圆管与圆管和扁管相比,具有较高的传热系数和较少的空气阻力,其工艺性和可靠性不及圆管但优于扁管。湖南涉外经济学院本科生毕业论文(设计)(2)冷轧翅片管式中冷器 冷轧翅片管是由单金属管或内硬外软的双金属管在专用扎机上扎制而成。通常,单金属管用紫铜或铝;双金属管的内管用黄铜,外管用铝。双金属管在扎制过程中使用两种金属牢固的贴合在一起,几乎没有间隙,即使在长期振动工作条件下也不会脱开,将翅片管用涨管法固定在端板上。整个加工过程不用焊接,不存在虚焊和长期振动工作后的脱焊现象。因此,冷轧翅片管中冷器的主要优点就是接触热阻少,传热系数高,工作可靠性好。其缺点是在同样体积下冷却表面积较少,空气阻力损失较大。
21、冷轧翅片管结构如图 2-1。图 2-1 冷轧翅片管结构2、风冷式中冷器结构 风冷式中冷器是用环境空气来冷却增压后的高温空气,由于热侧和冷侧换热介质均为空气,两侧的对流换热系数在同一数量级,因此两侧的换热面积应大致相同,风冷式中冷器的结构有扁管式、翅片式和管翅式几种。扁管式中冷器在扁管外围设有散热片,增压空气在管内流动,冷却空气在管外流动。由于热气侧换热面积太小,使中冷器传热效率低,应用很少。应用较多的是板翅式和管翅式中冷器两种型式。(1)板翅式中冷器 板翅式中冷器的结构是在厚 0.50.8mm 的薄金属板之间,钎焊由厚 0.10.3mm 的薄金属板制成的翅片,两端以测限制板封焊。因各层翅片方向
22、互错 90 度,两个不同方向的翅片分别形成了两种错流换热介质的通道。板翅式中冷器大多用铜和硅和金制造,它的结构简单,传热面积大,效率高。光直翅片换热系数和阻力损失都比较小,只用在对阻力要求特别严格的场合。为了增强气流的扰动,破坏边界层以强化传热,可以采用锯齿翅片或多孔翅片等翅片型式。其中锯齿翅片对促进流体的湍流,破坏热阻边界十分有效,传热系数比光直翅片高 30%以上。大多数中冷器都采用锯齿形翅片。湖南涉外经济学院本科生毕业论文(设计)(2)管翅式中冷器 管翅式的结构是在板翅式结构的基础上发展而来,其热气侧通道是多孔的成型管材。与板翅式相比,它的主要优势在热气侧。由于采用成型管材,简化了工艺,避
23、免了翅片和隔板之间的虚焊及工作振动中的脱焊所造成的接触热阻,提高了传热效率和工作可靠性。其缺点是热气侧只能是光直的通道,难以采用绕流措施。目前管翅式中冷器已得到了越来越多的应用。3)风冷式中冷器的构造和工作原理(以板翅式为例)1)基本单元如图 2-2 所示为板翅式热交换器的结构基本单元冷、热流体在相邻的基本单元体的流道中流动,通过翅片及与翅片连成一体的隔板进行热交换。因而,这样的结构基本单元体也就是进行热交换的基本单元。将许多个这样的单元体根据流体流动方式的布置叠置起来,钎焊成一体组成板翅式热交换器的板束或芯体。一般情况下,从强度、热绝缘和制造工艺等要求出发,板束顶部和底部还各留有若干层假翅片
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