7. Nội dung nghiên cứu
3.4.1. Cơ sở lý thuyết xác định trường nhiệt độ, ứng suất cơ nhiệt
Trường nhiệt độ của pit tông được xác định bằng lý thuyết phần tử hữu hạn. Định luật nhiệt động I. .. T T T c v L T L q q t (3.1)
Định luật Fourier về thông lượng nhiệt:
q D L T (3.2) trong đó: 0 0 0 0 0 0 Kxx D Kyy Kzz là ma trận các hệ số dẫn nhiệt.
Các điều kiện biên cơ bản biểu diễn sự tương tác về nhiệt của bề mặt chi tiết và môi trường xung quanh có thể sử dụng các điều kiện biên sau đây [2]:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
- Điều kiện biên loại 1: sự phân bố của nhiệt độ theo bề mặt F hoặc một
phần của bề mặt của chi tiết F1:
T = T(x,y,z)
trong đó T(x,y,z) là hàm nhiệt độ trên bề mặt vật thể.
- Điều kiện biên loại 2: Mật độ của dòng nhiệt q0 qua bề mặt F hoặc một
phần của bề mặt F2:
q0(x,y,z) = - . T x y z( , , )
n
trong đó n - là pháp tuyến ngoài tới bề mặt của vật thể tại điểm có tọa độ x, y, z.
- Điều kiên biên loại 3: Nhiệt độ của môi trường xung quanh Tcp và quy
luật trao đổi nhiệt giữa môi trường và bề mặt F hoặc một phần bề mặt F3:
- . T x y z( , , )
n
= α (T-Tcp)
trong đó α - là hệ số truyền nhiệt đến bề mặt chi tiết.
- Điều kiện biên loại 4: Sự trao đổi nhiệt của hệ vật thể xảy ra theo quy luật dẫn nhiệt.
Điều kiện biên loại 1 và loại 2 thường ít gặp trong tính toán trạng thái nhiệt độ của các chi tiết động cơ nhiệt. Trong thực tiễn tính toán các chi tiết trên ta thường nhận được điều kiện biên loại 3 và loại 4. Trong bài báo, tác giả sử dụng điều kiện biên loại 3 để tính toán trạng thái nhiệt pit tông. Tính toán sử dụng giả thiết bỏ qua trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt qua màng dầu tại nhóm xéc măng và thân pit tông với thành xi lanh.
Trường nhiệt độ được xác định bởi: T
e
T N T (3.3) trong đó:
T = T(x, y, z, t) là trường nhiệt độ cần xác định, {N} = {N(x, y, z)} là ma trận hàm dáng, {Te} = {Te(x, y, z, t)} là véc tơ nhiệt độ tại các nút của phần tử.
Hệ phương trình xác định trường nhiệt độ: . t tm tb tc c g e e e e e e e e e C T K K K T Q Q Q (3.4)
Gradient nhiệt được xác định như sau:
T T T T a L T x y x
Véc tơ thông lượng nhiệt được tính theo gradient nhiệt:
q D a D B T e
Thông lượng nhiệt qua bề mặt đối lưu: {q}c = hf(TS – TB).
3.4.2. Xây dựng mô hình tính toán trạng thái ứng suất cơ - nhiệt pít tông động cơ V12 tăng áp khi chuyển sang sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - ethanol
Việc xây dựng mô hình và tiến hành tính toán được thực hiện nhờ sự hỗ trợ của phần mềm ANSYS. Tính toán sử dụng các giả thiết:
+ Chỉ xét đến trao đổi nhiệt bức xạ thông qua phần bổ sung của hệ số tỏa nhiệt đối lưu.
+ Bỏ qua lực ma sát và nguồn nhiệt sinh ra do ma sát giữa pit tông và xi lanh trong quá trình chuyển động.
Mô hình hình học của pit tông khảo sát được thể hiện trên hình 3.8 (a) và mô hình phần tử hữu hạn được thể hiện trên hình 3.8 (b).
(a)
(b)
Hình 3.8. Mô hình hình học (a)
và mô hình phần tử hữu hạn (b) pit tông động cơ V12
1
X
Y
Z
MO HINH HINH HOC PIT TONG DONG CO V12
OCT 28 2019 15:17:02 VOLUMES TYPE NUM 1 X Y Z
MO HINH PHAN TU HUU HAN PIT TONG DONG CO V12
OCT 28 2019 15:15:51 ELEMENTS
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Tính toán ứng suất cơ - nhiệt là bài toán kết hợp giữa nhiều trường vật lý đồng thời tác dụng: tải trọng cơ học và nhiệt. Để giải quyết vấn đề phức tạp này, trong luận văn tác giả sử dụng phương pháp giải nối tiếp. Đầu tiên giải bài toán xác định trường nhiệt độ, tiếp theo lấy kết quả này làm tải trọng nhiệt kết hợp với tải trọng cơ học để giải bài toán tương tác giữa hai trường vật lý (nhiệt - cơ).
Để xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, cần lựa chọn kiểu phần tử phù hợp cho 2 bước giải. Trong ANSYS có phần tử Solid87 cho bài toán xác định trường nhiệt độ, phần tử Solid92 cho bài toán xác định trường ứng suất và biến dạng. Mô hình phần tử hữu hạn pit tông động cơ V12 được chia lưới trong phần mềm ANSYS giới thiệu trên hình 3.8 (b).