基于强制振荡下两相流传热的内冷活塞热状态分析与控制

The pistons with internal cooling gallery are more and more widely used in diesel engines with the growing requirements of power density. The process of oil flow and heat transfer have a great influence in the cooling efficiency, therefore affects the thermal conditions of piston and entire engine. The current study based on the analysis of transient two-phase oscillating flow and heat transfer mechanisms, combined with the modeling experiments, prepare to explore the principles of two-phase flow and heat transfer under the influences of parameters. On this basis, the entire temperature distribution and variation of stresses in piston under several working conditions are studied. The optimized oil control strategy related to engine speed and load would be supplied. Thus there is possibility of realizing the idealize temperature distribution in piston, and providing the theoretic proof for optimized design of the cooling gallery.

随柴油机对功率密度要求的不断提升，内冷活塞获得日益广泛的应用。油腔内冷却油的流动和换热过程对活塞的冷却效果影响很大，从而影响到活塞甚至发动机的整体热状态分布。本研究拟从两相流过程的瞬态振荡和传热机理分析出发，结合模拟实验验证，揭示强制振荡下的两相流流动特性，探索不同参数影响下的换热及整体温度分布规律；在此基础上研究内冷活塞在各工作条件，尤其针对高热高转速下的整体温度分布及应力变化，提出与发动机转速、负荷相关联的优化供油控制策略，为实现活塞内部温度的理想化分布提供可能，同时也为活塞内冷结构的优化设计提供理论依据。

在项目开展期间，针对活塞振荡条件下的两相流传热问题，从活塞相关的多个角度打开思维，逐步推进；收集各种资料与信息，同时开展测试与各种模型下的仿真研究，对冲程、转速、喷油速率等参数开展影响规律分析。主要工作内容包括：.(1) 对振荡条件下的两相流传热过程设计二维简化模型，开展规律性分析与探讨。发现除活塞二阶运动产生偏离外，油腔上下运动引起的压力变化也将引起油柱倾斜，造成喷油与油腔入口偏离；喷油油柱在进入油腔时的速度，与活塞的最大运动速度之间的匹配度可能是影响油腔填充率及换热系数的一个关键因素；当喷油的绝对速度与活塞最大速度接近，或大于活塞最大速度时，将达到较为理想的填充率和换热系数。.(2) 针对活塞实体模型进行三维建模，对发动机工作中的运动传热过程进行详细仿真。在与该研究相关的研究拓展中，为确定活塞侧面的热边界条件，对活塞与缸套的摩擦润滑过程开展传热计算分析；为确定缸套内冷却水以及油腔内润滑油的入口温度条件，辅以机外散热研究方法与布置策略研究。.(3) 模拟燃烧时对活塞顶面的加热过程，对发动机活塞开展激光热冲击实验。用红外热成像仪测试活塞顶面受热区域的瞬时温度，并用高速CCD照相机拍摄活塞顶面的瞬时图像，确定活塞顶面的热边界条件。.(4) 搭建模拟活塞振荡换热实验台，测试不同振荡条件下，活塞腔内的油气两相流的运动特性。为满足观测需求，实验过程中设计了多个可视化、可拆卸的不同结构的活塞体，并采用高速相机获得了一些较为清晰的图像，完成了振荡过程中流动特性的测试；相关的传热测试正在进行过程中。.根据系列分析计算，确证振荡条件下的两相流传热过程是非常具有研究价值的一个方向，尤其是具有开放性出入口的腔体振荡，其入口条件对整体流动传热特性都有显著影响。对活塞/模拟活塞内冷油腔的两相流传热过程研究，将有助于了解强制振荡下的两相流流动规律与传热机理，不仅可用于活塞热状态的评估与分析，在强制振荡下的强化传热领域也将有一定的参考价值。