在太阳能利用系统的分析设计中，为了计算对流换热量，必须要知道牛顿冷却公式中的对流换热系数h。所以，一般我们将对流换热的实验数据整理成各无量纲数之间的关系式，以供在集合上与之相似的流动边界条件使用。因此，在确定实际问题中的对流换热系数时，必然会使用到如式和这样的准则公式。......
2025-09-29
优化换热边界条件的文章标题
【摘要】：采用有限元方法模拟温度场分布的关键是合理地给出换热边界条件。热分析采用第三类边界条件，主要是确定燃气的温度和燃烧室内壁面与燃气的对流换热系数。图3.10各转速对流换热系数不同转速下，缸内气体温度随偏心轴转角变化的曲线如图3.9所示。取气缸区域对应偏心轴转角的温度、对流换热的平均值作为换热边界条件。图3.11气缸内腔区域划分以发动机转速为17 000r/min为例，气缸内壁各区域所对应的对流换热边界条件如表3.3所示。
转子发动机各受热零部件的热量主要来自高温燃气与燃烧室内壁面的对流换热，零件内部的传热遵循傅里叶定律，其内部不产生热量，在发动机稳定运行工况下，对受热零部件的热分析可以简化为没有内热源的稳态热分析。
换热边界条件的设置对温度场仿真计算的准确性有着直接的影响。采用有限元方法模拟温度场分布的关键是合理地给出换热边界条件。热分析采用第三类边界条件，主要是确定燃气的温度和燃烧室内壁面与燃气的对流换热系数。
发动机内部瞬时温度、对流换热系数通过MATLAB/Simulink建立的热力学模型仿真得到。发动机选用甲醇-硝基甲烷-蓖麻油的混合油为燃料，其中甲醇的浓度为60%，得到转子发动机缸内工作过程中的温度曲线以及缸内气体同燃烧室内壁面的对流换热系数曲线。为研究不同转速下的缸内工作过程，除发动机额定转速17 000r/min外，还分别计算了转速为15 000r/min、13 000r/min、11 000r/min、9 000r/min时的温度、对流换热系数，计算结果如图3.9、图3.10所示。
图3.9 各转速缸内温度图
图3.10 各转速对流换热系数
不同转速下，缸内气体温度随偏心轴转角变化的曲线如图3.9所示。从图3.9可以看出，缸内气体的温度随着转速的增大而增大，当转速为17 000r/min时，缸内气体最高温度约为1 180 K；当转速为9 000r/min时，缸内气体最高温度约为950 K。缸内气体温度在压缩上止点后急剧升高，在560°左右达到最大值，此时处于发动机的燃烧与膨胀阶段，随后缸内气体的温度迅速下降，在排气阶段，缸内气体温度仍然较高，为400～600 K。
不同转速下，缸内高温燃气与内壁面之间的对流换热系数随偏心轴转角变化的曲线如图3.10所示。从图3.10可以看出，对流换热系数随着转速的增大而增大，当转速为17 000r/min时，最大对流换热系数约为817 W/（m2·K）；当转速为9 000r/min时，最大对流换热系数约为735 W/（m2·K）。各不同转速下，对流换热系数均在580°左右达到最大值，此时处于发动机的燃烧与膨胀阶段。(https://www.chuimin.cn)
由于转子发动机每个工作室的四个工作过程都是分别被局限在气缸的特定区段内进行的，因此，在气缸及前后端盖的各个不同部位上的受力及受热情况差别非常大。
根据热力学计算结果中温度和换热系数随偏心轴转角的变化，以及转子发动机气缸实际的受热状态，对气缸内腔进行区域划分。将温度及对流换热系数变化较快的偏心轴转角所对应的气缸区段划分为多个区域，而温度及对流换热系数变化较慢的气缸区段划分区域较少，具体区域划分情况如图3.11所示。取气缸区域对应偏心轴转角的温度、对流换热的平均值作为换热边界条件。
图3.11 气缸内腔区域划分
以发动机转速为17 000r/min为例，气缸内壁各区域所对应的对流换热边界条件如表3.3所示。
表3.3 气缸内壁各区域所对应的对流换热边界条件
续表
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