基于熱-流-固耦合的發(fā)動機活塞組件熱疲勞實驗臺設(shè)計研究

曹藝隆，王貴新，俞謙，趙嘉琪，朱甲梁

（哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

對于車用柴油發(fā)動機，提高其功率密度一直是其主要的研究方向，這使得柴油機活塞的工作條件不斷惡化。氣缸壓力與往復慣性力不僅使其承受較大的機械負荷，周期變化的燃燒溫度和自身較大的溫度差異還使其承受巨大的熱負荷。

早期活塞溫度場的研究主要是通過對活塞模型進行穩(wěn)態(tài)計算，進而評估其熱疲勞特性。1985年，張南林等將K48E型柴油機活塞模型視為軸對稱模型，應(yīng)用邊界元法對活塞進行了溫度場計算。2001年，丁宏偉應(yīng)用有限元分析軟件得到了活塞表面各部分的溫度分布。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，對活塞溫度場的分析模型更為復雜，計算結(jié)果更準確。2016年，李闖對某型柴油機活塞利用數(shù)值模擬方法，研究了具有9種不同形狀油腔的活塞溫度場分布。2017年，高鵬飛采用子結(jié)構(gòu)法對活塞溫度場進行了有限元分析，得到了更精細的活塞溫度場。但通過計算分析得到活塞溫度場的方法存在局限性，燃燒室內(nèi)的渦流與活塞的振蕩冷卻很難得到計算模擬，同時，計算結(jié)果也缺乏實驗驗證。對活塞溫度場測量的實驗研究方法主要方法有硬度塞法、熱電偶法、熱敏電阻、紅外熱像法、易熔合金法等。目前，對發(fā)動機活塞溫度場的實驗研究一般在實機上進行。Sihling等對四氣門高速外增壓柴油機氣缸蓋燃燒室的瞬時表面溫度變化進行了測量，實測的局部平均瞬時換熱系數(shù)與理論計算結(jié)果有很好的一致性。……