燃烧室的热传导反演理论及其监控机理研究

燃烧室的热传导反演理论及其监控机理研究，既是燃烧室组件热损伤检测技术从有损、离线到无损、在线发展所需的理论基础，同时也是完善导热反问题理论的迫切需要。本项目以具有复杂结构形态、三维传热边界且气、固、液传热形式并存的发动机缸盖为研究对象，在求解缸盖三维温度场正问题的基础上，结合红外无损检测技术的实际，基于缸盖表层温度场，对缸盖内部复杂形状缺陷边界识别算法进行研究，通过数值实验检验该算法的有效性。探讨缸盖热损伤的监控机理，由缸盖表层温度场反演其内部温度场，实现由表层温度场无损检测缸盖内部缺陷的目的。通过本项目的研究，将热传导的反演理论引入复杂边界（热传导、热辐射、热对流）、复杂几何条件下的三维情形，理论意义重大。创新性地提出燃烧室热负荷的无损监控机理，并应用到缸盖内部热裂缺陷的检测，推广应用前景广阔。

燃烧室是柴油机能量转换的重要场所。随着柴油机向高强化大功率方向发展，燃烧室组件承受的热负荷越来越高，产生热损伤的问题越来越多，其中以缸盖热裂而失效的问题显得尤为突出，严重影响了柴油机整机可靠运行及使用寿命。因此，本项目以某高功率密度柴油机为研究对象，提出对缸盖组件开展热传导反演理论及其监控机理研究，旨在寻求一种在线、无损检测缸盖热损伤的有效方法。本项目开展的主要工作有：系统分析了缸盖各类传热边界类型及确定方法，采用正交试验设计研究了各类传热边界对缸盖温度场的影响程度，基于逆向设计方法建立了高精度的缸盖及其冷却水套三维实体模型，将流固耦合传热理论应用于缸盖三维稳态温度场数值求解，开展了缸盖内外部温度场实机及台架实验，研究了缸盖内部及表层温度场分布规律及拾取方法，分析了柴油机工况对内外部温度场的影响，在此基础上提出了基于温度特征量识别缸盖内部热损伤的检测方法，针对缸盖最常出现的热损伤故障——火力面鼻梁区处热裂纹，分别从故障模拟，检测台架构建以及温度试验开展了相关研究工作。采用数值模拟的方法分析了裂纹结构对缸盖整体温度场的影响，通过台架实验验证了结果的有效性。将导热反问题研究推广应用于缸盖火力面处传热边界条件：缸内燃气对流换热系数识别。以柴油机缸盖稳态温度场计算为基础，利用LM优化算法基于ANASYS平台开发了反求程序，通过二维、三维算例研究了表层测温点的选取对算法收敛性的影响，探讨了利用神经网络以及用遗传算法优化的神经网络求解热传导反问题的具体流程，分别采用上述三种方法求解了缸盖燃气对流换热系数，数值计算证明：导热反问题研究方法对于缸盖这类具有复杂结构、多流动介质和多种热交换形式的传热部件同样适合，当待识别边界条件较少时，该程序具有较快的收敛速度；随着待识别参数个数的增加，收敛速度变缓。通过本项目的研究，将热传导的反演理论引入复杂传热边界、复杂几何形态下的三维对象，理论意义重大，创新提出了燃烧室组件热负荷无损监控机理，并应用到缸盖内部热裂纹缺陷检测，推广应用前景广阔。